蛋壳系外行星:具有超薄脆性岩石圈的岩石世界理论上可能存在

脆性岩石圈的厚度——行星体破裂后的外部部分——在该天体的地质过程中起着关键作用。一颗行星和它的主恒星的特性都会影响它的厚度,而这些特性的潜在范围超过了研究人员在太阳系中看到的范围。在一项新的研究中,一个由行星科学家组成的国际团队运行了一组大型计算机模型,以观察行星和恒星性质的各种组合如何影响行星体外层的厚度。他们的模型预测,小的、古老的或者离恒星很远的世界可能有厚而坚硬的层,但在某些情况下,行星可能有一个只有几公里厚的脆外层。作者称这些行星为“蛋壳行星”,它们可能类似于金星上的低地,他们认为至少有三颗这样的太阳系外行星——TOI-1235b、HD 136352b和L 168-9b——已经为人所知。

艺术家对蛋壳外行星的演绎。图片来源:NASA/JPL加州理工学院。

艺术家对蛋壳外行星的演绎。图片来源:NASA/JPL加州理工学院。

地球海洋部行星地质学家Paul Byrne博士说:“了解是否存在板块构造是了解世界的一件非常重要的事情,因为一颗大型岩石行星可能需要板块构造才能适合居住。”,以及北卡罗来纳州立大学的大气科学和圣路易斯华盛顿大学的地球和行星科学系。

“因此,当我们讨论在其他恒星周围寻找类地行星时,以及当我们总体上描述行星宜居性时,这一点尤其重要。”

他补充道:“我们从已发表的研究中了解到,有些系外行星的运行条件比我们在太阳系中看到的更为极端。”。

“与我们在自己的系统中看到的行星相比,它们可能更靠近它们的恒星,或者它们可能更大,或者表面更热。”

伯恩博士和同事们想知道,在决定行星外层脆性层(即岩石圈)厚度的过程中,哪些行星和恒星参数发挥了最重要的作用。

这种厚度有助于确定,例如,一个行星是否能够支撑像山脉这样的高地形,或者在表面的一部分下沉或俯冲到另一部分下面的刚性和灵活性之间具有适当的平衡——这是板块构造的标志。

正是这个过程帮助地球在地质时间尺度上调节温度,也是板块构造被认为是行星宜居性的重要组成部分的原因。

在建模工作中,研究人员选择了一个普通的岩石世界作为起点。

伯恩博士说:“然后我们旋转了刻度盘。我们实际上运行了数千个模型。”。

研究小组发现,表面温度是脆性系外行星岩石圈厚度的主要控制因素,尽管行星质量、与恒星的距离甚至年龄都起到了作用。

他们的新模型预测,小的、古老的或远离恒星的行星可能有厚而坚硬的层,但在某些情况下,行星可能只有几公里厚的外层脆性层。

“虽然我们距离直接成像这些蛋壳状行星的表面还有很长的路要走,但它们可能类似于金星上的低地,”伯恩说。

这些低地包含广袤的熔岩,但几乎没有高耸的地形,因为那里的岩石圈由于灼热的表面温度而变薄。

脆性岩石圈厚度图,作为表面重力加速度、g、表面温度、T和板块年龄(作为热流的代理)的函数。图中显示了太阳系内部的四颗行星,以及四颗半径、质量和平衡温度都可用的超级地球:HD 136352b、L 168-9b、LHS 1140b和TOI-1235b。系外行星g和T的不确定度范围用白线表示。所有行星都按比例显示;这四颗系外行星的插图是艺术性的。实线、虚线和虚线表示在0-3亿年的板块年龄范围内,脆性岩石圈厚度为5、2和1km。图片来源:伯恩等., doi: 10.1029/2021JE006952.

脆性岩石圈厚度图,作为表面重力加速度、g、表面温度、T和板块年龄(作为热流的代理)的函数。图中显示了太阳系内部的四颗行星,以及四颗半径、质量和平衡温度都可用的超级地球:HD 136352b、L 168-9b、LHS 1140b和TOI-1235b。系外行星g和T的不确定度范围用白线表示。所有行星都按比例显示;这四颗系外行星的插图是艺术性的。实线、虚线和虚线表示在0-3亿年的板块年龄范围内,脆性岩石圈厚度为5、2和1km。图片来源:伯恩je006952 doi: 10.1029/2021。

“我们的总体目标不仅仅是理解系外行星的变幻莫测,”伯恩说。

“最终,我们希望帮助确定使世界适于居住的属性。”

“而且不仅仅是暂时的,而是可以长期居住的,因为我们认为生活可能需要一段时间才能开始并变得可持续。”

当然,这项研究背后的根本问题是,我们是孤独的吗?

伯恩博士说:“这是一个很大的范围。最终,这项工作的大部分都与最终目的地有关,即‘地球到底有多独特?’”。

“我们需要知道的许多事情之一是什么性质会影响地球这样的世界。”

“这项研究通过展示这些参数相互作用的方式、可能产生的其他结果以及我们应该优先使用新一代望远镜研究的世界,帮助解决了其中的一些问题。”

这项研究在一篇文章中进行了描述纸张地球物理研究杂志:行星.

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保罗·k·伯恩. 行星和恒星参数对脆性岩石圈厚度的影响。地球物理研究杂志:行星,在线发布于2021年10月20日;内政部:10.1029/2021JE006952

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