超級地球也有磁場?巖漿之海產生護盾

2020-12-06 博科園
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上過學的人都知道地球擁有一個磁場。磁場能夠幫助我們導航，同時還能保護大氣層和生命免遭猛烈的太陽風侵襲。銀河系的類地行星又是什麼情況？是否也存在保護生命的磁場？科學家進行了一項新分析，將目光投向所謂的超級地球。研究表明超級地球可能存在磁場，但形成方式與地球完全不同。

超級地球藝術概念圖，座落於一顆個頭和溫度都不及太陽的恆星的適居區。這種大型行星能夠產生巖漿海並存在很長時間，進而為生命撐起一把磁場保護傘

磁場是地球的防護盾，保護大氣層和生命免遭猛烈的太陽風侵襲。銀河系存在大量類地行星，它們又是怎樣的情況？是否也存在這樣的保護傘。為了解答這個疑問，科學家進行了一項新分析，將目光投向所謂的超級地球，即個頭達到地球5倍的系外行星。研究發現超級地球可能擁有磁場，但磁場的產生方式與地球截然不同——並非來自於液態鐵外核，而是由巖漿海產生。

超級地球也有磁場

新研究指出緩慢攪動的地表或者地下熔巖能夠產生一個強大的磁場。地球早期可能也是這種情況，當時的地球基本上就是一個熔巖球，擁有一個巖漿產生的磁場。後來，地球的液態鐵外核又產生一個磁場。

超級地球產生的熱量能夠讓巖漿海在長達10億年時間裡保持活躍狀態，進而產生和維持一個磁場

加州大學伯克利分校地球與行星學教授伯克哈德·米利特澤表示：「這是行星磁場形成的一個新機制。地球的磁場由液態外核產生，木星磁場由液態金屬氫對流產生。海王星和天王星的磁場據信在冰層產生。我們現在知道巖漿海也能產生磁場。」

行星內部構造與磁場之間的關係為天文學家打開了一扇窗，有助於他們了解遙遠系外行星的構成和年齡。米利特澤說：「如果有人觀測到一顆存在磁場的系外行星，可能意味著它存在一個巖漿海，即使他們無法直接看到。」

地球磁場能夠讓帶電粒子發生偏移，進而保護我們免遭太陽風侵襲

這一研究發現對搜尋外星生命同樣具有啟發意義。隨著巖漿海從頂部開始冷卻，即使熔化的地幔仍在攪動，地表也可能出現適於生命居住的環境。前加州大學伯克利分校博士後研究員、法國裡昂高等師範學院的弗朗西斯·蘇比蘭表示：「磁場能夠保護行星大氣層免遭恆星風剝離。在我們當前觀測的超級地球中，絕大多數距母星很近，暴露在非常猛烈的恆星風中。磁場的存在是行星演化和適居性的一個關鍵要素。」9月24日，《自然-通訊》雜誌刊登了蘇比蘭和米利特澤的研究論文。

地磁場藝術概念圖

地球內部動態

地球的磁場在熔鐵外核內產生。在地球的外核，導電液態鐵起起伏伏，再加上地球的自轉，最後形成了一個發電機和一個持久穩固的磁場。45億年前誕生後，地球的某些層可能保持熔化和對流狀態，就像沸水一樣，但速度較慢。這種狀態持續了數百萬年之久。緩慢對流的巖漿海能否產生一個與鐵核內磁場類似的磁場？

在其它恆星周圍發現超級地球後，科學家提出同樣的疑問。超級地球體積巨大，地幔應該能在形成後幾十億年時間裡保持液態和對流狀態。研究指出在一顆不停旋轉的行星，緩慢沸騰的巖漿海能夠產生一個強大的磁場。

超級地球葛利斯581c與地球對比圖

沒人能夠確定

地球的多巖核由數千種基於矽的礦物質（矽酸鹽）構成。超級地球內部是高溫高壓環境，科學家很難確定矽酸鹽處於何種狀態。行星內部的溫度可達到1萬攝氏度，壓力是大氣壓的1000萬倍；超級地球的內部環境更是超乎想像。因此，科學家很難確定超級地球內部巖石究竟是保持固態還是變成液體。

蘇比蘭表示：「在標準溫度和壓力環境下，矽酸鹽完全絕緣，電子要麼被原子核緊緊束縛，要麼被分子健鎖住，無法自由移動和形成宏觀電流。即使內部高壓能夠減少阻礙電子移動的屏障，超級地球內的矽酸鹽也未必具有導電性。」

超級地球55 Cancri e與地球對比圖

蘇比蘭和米利特澤利用原子尺度的礦物質電腦模型，計算石英、氧化鎂和後鈣鈦礦的導電性。所有這些礦物質都普遍存在於地球的巖石，太陽系的所有衛星和行星可能也是這種情況。經過大量計算，他們發現當在高溫高壓環境下從固態變成液態，這些矽酸鹽帶有一定的導電性。在將導電性加入地球內部模型後，他們發現巖石的導電性足以維持一個發電機和一個磁場。

蘇比蘭表示：「我們的計算結果表明液態巖石的紊亂結構有助於電子具有導電性。」在1萬攝氏度和1000萬倍大氣壓環境下，液態矽酸鹽的導電性只有液態鐵的百分之一左右。

克卜勒望遠鏡，服役期間發現大量系外行星

蘇比蘭指出自傳周期2天以上的行星會產生一個類地磁場，存在明顯的北極和南極。轉速較慢的行星會產生一個更紊亂的磁場，很難遠距離探測到。加州大學伯克利分校地球內部動態專家布魯斯·布菲特表示，只有導電性和液體速度達到一種平衡狀態，行星才能形成和維持一個磁場。布菲特並沒有參與這項研究。

布菲特是地球與行星學教授。他說：「很多地球學家認為至少在地球的環境下，液態矽酸鹽的導電性能夠形成磁場。這是科學家首次對系外行星內部的高溫高壓環境進行詳細計算，所發現的導電性高於預計。也就是說，液體流動所處的環境要比預計的更為極端。」

博科園-科學科普｜文：羅伯特·桑德斯/漫步宇宙/qqtaikong博科園-傳遞宇宙科學之美

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