本文围绕行星内部水和氢的分离情况展开，介绍了加州大学洛杉矶分校和普林斯顿大学的研究成果，包括在极端条件下水氢的混合反应、对行星演化的影响，以及该发现对解释行星谜团和探索宜居系外行星的意义。
你是否曾想过，如果地球和海王星等行星内部的水和氢没有分离，将会发生怎样的情况呢？加州大学洛杉矶分校和普林斯顿大学的最新研究为我们揭开了这一神秘面纱。研究显示，在极热和极压的特殊环境下，这些元素会在年轻行星内部相互混合，甚至会出现一种奇特的“雨化”现象。
当行星刚刚形成之际，其温度往往处于极高的状态，此时它们的大气层是由氢和水的均匀混合物所构成。随着时间的推移，这些行星逐渐冷却下来，氢和水便开始在大气层内发生分离。这种分离现象可不是简单的物理变化，它会导致行星深处的水“蒸发”，进而释放出大量的热量，同时还会改变行星的大气成分。而这些内部变化，将会对地球数十亿年的长期演化产生重大而深远的影响。
值得一提的是，这一发现并不仅仅适用于地球和海王星等太阳系内的行星，对于那些具有富氢大气层和水海洋的系外行星同样适用。特别是当这些系外行星的内部温度足够高时，能够阻止氢和水分离，其内部情况就会和研究中的情况相似。
一直以来，科学家们认为所有行星都是由气体、冰、岩石和金属混合而成，并且在行星形成过程中这些物质不会发生化学反应。但加州大学洛杉矶分校和普林斯顿大学的研究人员对此提出了疑问并进行了深入探索。他们有了意想不到的发现：在年轻行星内部的高温和高压环境下，水和氢气会发生反应，在其大气中形成令人惊讶的化学混合物，甚至还会引发一种深层内部“降雨”现象。
我们银河系中的大多数行星大小介于地球和海王星之间。研究表明，这些星球通常在厚厚的氢大气层中形成。随着时间的不断推移，氢会与这些行星的熔融内部相互作用，这个过程有时会长达数百万年甚至数十亿年。可以说，大气和内部之间的相互作用是这些行星形成、演化以及发展其内部结构的关键部分。
然而，研究行星内部所涉及的温度和压力是如此极端，以至于在实验室中进行相关实验几乎是不可能的。为了克服这一难题，研究人员利用加州大学洛杉矶分校和普林斯顿大学的超级计算机进行量子力学分子动力学模拟，以此来研究氢和水（行星中最重要的两种成分）如何在海王星大小及更小的行星中在广泛的压力和温度下相互作用。研究结果于 3 月 24 日发表在《天体物理学杂志快报》上。
这项研究的共同作者、加州大学洛杉矶分校地球、行星和空间科学教授 Lars Stixrude 表示：“我们通常认为基础物理和化学知识是已知的，我们知道什么时候物质会融化，什么时候会溶解，什么时候会冻结。但说到行星的深处，我们就一无所知。没有教科书可以让我们查阅这些东西，我们必须依靠自己去预测它们。”
研究人员模拟了一个由氢和水组成的系统，每个系统包含数百个原子，并计算了它们在量子水平上的相互作用。原子以自然的方式做出反应，就如同在相同条件下的实验室实验中一样。计算实验表明，行星在诞生时或非常接近母星时可能会非常热，这样的行星将拥有由氢和水的均匀混合物组成的大气层。但随着行星的老化，它们的温度会逐渐下降，氢和水开始分离。随后产生的水雨不仅会在这些星球深处产生意想不到的热量，还会重塑这些行星的大气层成分以及影响其数十亿年的演化。
第一作者阿卡什·古普塔 (Akash Gupta) 说：“随着时间的推移，当行星冷却下来时，在大气层的外部，水凝结后开始形成云层。此后不久，水和氢将开始在大气层深处分离——这是一个关键事件，因为该行星的大部分氢和水储量都位于这些深处。这将导致行星大气层深处的‘降雨’，因为较重的水下沉而较轻的氢上升，从而形成一个富含氢的外层和富含水的内部包层。”
这一发现还可以帮助解决一个天文学上的谜团，即为什么天王星和海王星的大小非常相似，但天王星散发的热量却比海王星少得多。古普塔解释道：“迄今为止，海王星上水的蒸发可能比天王星更大，因此海王星内部产生的热量更多。这可以解释为什么天王星的热流比海王星低得多。”
这项研究对太阳系外的行星也有着重要的影响。例如 K2 – 18 b 和 TOI – 270 d，它们被认为是可能适宜居住的星球，拥有氢大气层和水海洋。然而，如果这些系外行星的内部温度足够高，它们可能完全处于氢和水无法分离的状态，因此它们将由单一的均质氢水流体组成。
研究报告的共同作者，加州大学洛杉矶分校地球、行星和空间科学教授希尔克·施利希廷 (Hilke Schlichting) 说：“如果水和氢确实在整个行星内部混合，那么类似地球和海王星的系外行星的结构和热演化可能与该领域通常使用的标准模型有很大不同。另一方面，较冷的行星可能有一个富含水的单独层，可能是液态的。”
这项研究提供了一个基于物理学的框架，它可以帮助我们更好地确定我们银河系中哪些行星系统可能拥有富含水的海洋系外行星，哪些行星系统可能拥有氢和水完全混合的大气层，同时还揭示了决定这种分裂的条件。
加州大学洛杉矶分校和普林斯顿大学关于行星内部水和氢分离情况的研究。研究发现，在极端条件下，年轻行星内部水和氢会混合甚至“雨化”，这种现象会影响行星的演化。该发现不仅有助于解释天王星和海王星热量散发差异的谜团，还对探索宜居系外行星有重要意义，为研究行星内部结构和演化提供了新的框架。
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