压力足够大氢气与沙石反应可形成水

在高压环境下，氢气与岩浆发生反应可生成水。这一发现或能解释为何在某些本无法凝结出水的区域，会存在“富水行星”。

对银河系的探测研究表明，宇宙中最常见的行星类型通常与其宿主恒星的距离，比太阳系内最内侧行星——水星与太阳的距离还要近。由于这些行星的公转轨道离宿主恒星过近，在其形成之初，构成行星的岩石中根本无法融入凝结态的水¹。然而，令人困惑的是，观测证据显示部分此类行星的大气层中含有水分²、³。有一种观点认为，这类富水行星可能是在形成后逐渐迁移到离宿主恒星更近的轨道上的⁴。但霍恩（Horn）等人在《自然》（*Nature*）期刊中发表的研究却提出了另一种可能：某些行星与其厚重的气态大气层在高压条件下发生化学反应，或能生成大量水分——这使得在宿主恒星附近也能形成富水行星⁵。

这类行星不仅与宿主恒星保持着特定距离，其半径也介于地球和海王星之间，因此被称为“亚海王星”（sub-Neptune）。对亚海王星的普遍建模结构为：核心是铁合金，外层包裹着一层硅酸盐（含硅和氧的物质，常以SiO₄离子形式存在），最外侧则是一层以氢和氦为主的大气层（或称“包层”）。

亚海王星包层与行星本体交界处的压力，可能是地球大气压的1万倍以上，温度更是高达数千开尔文（K）。在这样的极端条件下，硅酸盐层会形成液态的岩浆“海洋”，而包层最内侧的氢气则会呈现为高密度流体状态。

研究人员探究了在这种环境下，氢气是否可能与硅酸盐发生反应生成水。实验室中，可借助“金刚石对顶砧”（diamond anvil cell）装置模拟亚海王星包层-行星交界处的高温高压环境——该装置通过两块金刚石对顶挤压来压缩样本。为达到实验所需的高温，研究人员还会通过金刚石砧对样本进行激光加热。

不过，开展金刚石对顶砧实验颇具挑战性：在高温高压下，氢气会扩散到金刚石内部，可能导致砧体发生毁灭性破裂。为最大限度减少氢气扩散，霍恩团队并未采用持续加热的方式，而是施加了数千次微秒级激光脉冲，使浸没在氢气中的微米级硅酸盐与铁颗粒温度达到2250至4000开尔文。由于实验体系的尺度极小且温度极高，该系统很可能达到了化学平衡状态，这意味着反应的进程不受时间影响。

研究人员的核心研究结果聚焦于一系列产水反应：硅酸盐熔体中的二氧化硅（SiO₂）与铁、氢气发生反应，生成铁硅合金、铁氢合金、硅烷（SiH₄）以及水。霍恩团队的实验重点研究了不同硅酸盐矿物参与的反应，包括橄榄石（(Mg, Fe)₂SiO₄）与二氧化硅（SiO₂）的反应。

目前，铁在亚海王星硅酸盐部分与包层的化学反应中所起的作用尚不明确，因为普遍观点认为，这类行星中的铁大部分会被“封存”在行星深部⁶。但研究人员通过实验证实，即使是二氧化硅与氢气之间更简单的反应，同样能够生成水。

未来研究的一个明确方向是加入更多化学成分：已有观测发现，一颗亚海王星的大气层中存在二氧化碳和甲烷⁷，另一颗则检测到一氧化碳³。这些化合物中的碳元素，或许在包层-行星交界处的化学反应中扮演着重要角色。

霍恩团队计算得出，若亚海王星中所有可利用的硅酸盐都与氢气发生反应，通过产水反应形成的行星，其水的质量占比最高可达16%至29%。这一比例远高于低温实验⁸和此前计算⁹得出的估算值。

但问题在于，行星各组成部分之间实际会发生多少化学反应呢？要理解这一问题为何是行星科学中至关重要的基础性问题，我们可以结合太阳系内的例子思考：若地球中相对较少的水分能与厚重的铁核完全达到平衡（这一过程涉及的反应路径与霍恩团队研究的不同），那么地球早就会变得干旱缺水，成为一片荒漠。

霍恩及其同事通过分析实验结果，试图厘清亚海王星内部高压化学反应的进程（见图1）。首先，亚海王星的产水能力取决于其包层的初始质量——包层质量决定了包层底部的温压条件，以及可用于化学反应的氢气量。因此，系外行星能够大量产水的条件可能十分苛刻。

图1 | 亚海王星内部通过高压化学反应生成水的不同情景

银河系中最常见的行星类型是亚海王星。这类行星与宿主恒星距离过近，形成时本无法凝结出水，但有证据表明部分亚海王星的大气层富含水分。对亚海王星的普遍建模结构为：铁合金核心外包裹着一层由硅酸盐（含硅和氧的物质，常以SiO₄离子形式存在）构成的岩浆“海洋”，最外侧是一层以氦和氢为主的气态包层。霍恩等人⁵的研究发现，硅酸盐与氢气在高压下发生反应可生成水和硅烷（SiH₄），他们认为这一反应或能促使富水亚海王星形成。研究人员还探讨了以下几种情景：

a. 在热梯度和密度梯度驱动的流体流动（即对流）作用下，反应产物可能会在包层和岩浆海洋中传输；

b. 另一种可能是，反应产物会形成一层阻隔层，抑制后续化学反应的发生（即分层现象）。

对流与分层之间的平衡状态，决定了亚海王星通过高压反应可生成的水量。

此外，行星的演化过程与动力学特征也会影响各类化学反应的速率。亚海王星的各组成部分（如铁、硅酸盐、富水流体以及氢氦混合物）密度不同，因此往往会形成不同的分层。但在行星的熔融层和包层中，通常会发生