高压岩浆-氢反应构建富水亚海王星：颠覆系外行星形成理论的新机制

本刊推荐：为解决亚海王星(sub-Neptunes)富水包层来源与形成位置争议，研究人员开展高压岩浆-氢反应实验研究。发现稠密氢流体与硅酸盐熔体在核心-包层边界(CEB)条件下可生成高达18.1 wt%的H2O，证明氢主导行星可通过内生水生产转化为水世界，挑战了传统雪线外形成水行星的迁移理论。

在浩瀚的宇宙中，大小介于地球和海王星之间的亚海王星(sub-Neptunes)是最常见的系外行星类型。这些行星的半径-质量关系表明它们可能拥有富含氢气或水冰的厚重大气层，包裹着一个岩石金属核心。传统行星形成理论认为，水丰富的行星必须在雪线(snow line)之外形成——那里温度足够低，水蒸气能够凝结成冰——然后通过轨道迁移到达现在的近距离轨道。

然而，这一理论面临严峻挑战：如何解释在靠近恒星的轨道上发现的富水亚海王星？如果水只能在寒冷的外太阳系区域凝结，这些近距离的富水行星是如何形成的？更令人困惑的是，行星半径分布中的"半径谷"(radius valley)现象似乎将行星分为两类：1-1.5地球半径的岩石行星和2-4地球半径的亚海王星。现有理论模型对此提出了两种竞争性解释：一类模型认为这是大气层大规模气体流失的结果，支持氢气主导的大气；另一类模型则认为这反映了干燥和富水两种不同的行星种群。

这一争议的核心在于我们对行星内部化学过程的理解存在重大空白。在传统的亚海王星模型中，氢气包层通常被认为不会与硅酸盐岩石发生反应，尽管物理混合已被考虑。低压实验表明，氢气可以还原硅酸盐中的阳离子产生水，但热力学模型预测这种作用对Si⁴⁺的还原效率极低，只能产生微量水。然而，这些预测都基于低压理想气体行为的 extrapolation，而亚海王星核心-包层边界(CEB)的压力可能高达数十GPa，温度可达数千K，氢在这种条件下表现为稠密流体，其化学行为可能发生根本性改变。

正是在这一背景下，亚利桑那州立大学H.W. Horn领导的研究团队在《Nature》上发表了突破性研究，通过高压实验揭示了稠密氢流体与硅酸盐熔体之间意想不到的剧烈反应，为解释富水亚海王星的形成提供了全新机制。

关键技术方法

研究采用脉冲激光加热钻石压腔(LHDAC)技术，在13-IDD光束线进行同步辐射X射线衍射(XRD)实验。针对San Carlos橄榄石(Mg_0.9Fe_0.1)₂SiO₄、铁橄榄石(Fe₂SiO₄)和二氧化硅三种起始材料，在6-42 GPa压力和2,700-3,900 K温度条件下，研究其与氢介质的反应。通过X射线衍射图谱鉴定物相组成，拉曼光谱检测Si-H和O-H键振动，并结合行星内部热演化模型模拟水混合效率。

高压岩浆-氢反应的实验证据

实验发现，当橄榄石+铁金属混合物在8 GPa氢介质中熔化后，X射线衍射图谱中的硅酸盐特征峰完全消失，取而代之的是B2 Fe_1-ySi_y合金的衍射峰。这表明硅酸盐熔体中的Si⁴⁺被还原为Si⁰并与铁金属形成合金，而镁则以MgO方镁石形式存在。通过单位晶胞体积计算确定y=0.27，意味着32%的Si⁴⁺被还原形成Fe-Si合金。同时，还观察到面心立方(fcc)和双六方最密堆积(dhcp)结构的FeH_x(x=0.22-0.4)合金形成。

硅酸盐的完全消失意味着必须有额外机制将Si⁴⁺从硅酸盐中移除。研究人员检测到了Si-H键振动信号，表明发生了硅烷(SiH₄)形成反应。更重要的是，通过拉曼光谱明确检测到了H₂O的O-H振动信号，证明还原反应和氢化物形成反应释放的氧与氢结合生成了水。

在高达22 GPa的压力范围内，多种实验体系(橄榄石+Fe、铁橄榄石、二氧化硅+Fe)均表现出一致的行为，包括H₂O形成、SiH₄生成、B2 Fe_1-ySi_y合金和FeH_x形成。特别值得注意的是，在50%H₂+50%Ar介质中熔化铁橄榄石时，由于初始氢浓度降低而水产量增加，H₂O相对于H₂的相对含量显著提高。

反应机制与水的生成路径

实验揭示了两种主要的Si⁴⁺还原路径：一是还原形成Fe-Si金属合金，二是形成SiH₄氢化物。两种路径均释放氧原子，随后与氢反应生成H₂O。通过量化分析计算得出，实验产生了18.1(5) wt%的H₂O，这一数值正好落在亚海王星模型考虑的组成范围内。

压力对水生产效率有显著影响。早期理论研究基于低压理想气体行为 extrapolation，预测水产量极低(X(H₂O)≈10^-4-10^-3)，而本实验在亚海王星CEB相关的高压高温条件下观测到的水产量高出2-3个数量级(X(H₂O)=0.38-0.56)。这一差异突显了压力效应对水生产的关键作用。

行星尺度应用与动力学过程

在行星尺度上，内生水产量受H₂和H₂O活度的动态影响。在氢主导的还原条件下，Si还原是水生产的主要途径；随着水产量增加，反应区氧化性增强，Si还原可能停止，此时SiH₄形成成为主导途径。高压下H₂O在硅酸盐中溶解度的增加可降低其在CEB的活度，从而延长氢-硅酸盐反应。

对流混合效率对水生产持续性至关重要。热演化模型显示，在CEB温度≥4,500 K时，水几乎通过对流完全混合在包层中；随着行星冷却，混合效率降低。当X(H₂O)>0.3时，对流混合可能在水生产结束前停止，导致深层包层比外层包层更富含水。

行星的Mg:Si比值直接影响水产量。对于类地金属-硅酸盐质量比但Mg:Si从2降至0.5(更多Si)的行星，如果所有硅酸盐与氢反应(>3 wt% H₂)，水产量将从16 wt%增至29 wt%。观测到的系外行星系统中Mg:Si比值的大幅变化将导致内生水产量的多样性。

对行星形成理论的革命性意义

这项研究对行星科学领域具有多重深远影响：

首先，氢丰富和水丰富的亚海王星可能并非通过不同过程形成，而是存在演化关联：氢丰富亚海王星可能是富水亚海王星和超级地球(super-Earths)的前身。如果能够保留过量未反应的H₂大气，核心上方覆盖富水层的H₂丰富大气行星(即海世界，hycean worlds)可能相当常见。

其次，传统认为富水行星必须在雪线外形成的观点受到挑战。实验证明，通过氢-岩浆反应可以将H主导大气从内向外转化为H₂O，使近距离轨道亚海王星成为富水行星，几乎不受其与恒星径向距离的影响。

最重要的是，这项研究意味着在系外行星大气中检测到大量水可能不再是行星在原行星盘迁移的最佳证据，挑战了行星形成位置与组成之间的假定联系。基于实验证据，研究人员提出由干燥材料形成的行星无需直接吸积水冰即可成为富水(数十wt%水)行星，这对行星形成和演化理论具有根本性意义。

这项研究不仅为解决亚海王星组成之谜提供了关键实验证据，更重新定义了我们对行星水来源的理解框架，为未来系外行星大气特征观测和内部结构建模奠定了新的理论基础。