熔岩海洋可能无法解释某些炽热的超级地球的亮度

在迄今为止发现的4000多颗系外行星中，有争议的是一些最奇怪、最极端的行星——炽热的“超级地球”——由岩石组成，燃烧着的炽热世界，它们如此不稳定地靠近它们的主星，以至于它们的一些表面很可能是熔化的熔岩海。

这些炽热的世界大约有地球那么大，人们更容易联想到“熔岩海洋行星”。科学家们观察到，其中一些炽热的超级地球异常明亮，实际上比我们这个明亮的蓝色星球还要亮。

这些遥远的火球为何如此明亮尚不清楚，但麻省理工学院的科学家们的新实验证据表明，来自这些世界的意外光芒可能不是由于熔融的熔岩或其表面冷却的玻璃(即迅速凝固的熔岩)。

研究人员以一种令人耳目一新的直接方式询问了这个问题，然后得出了这个结论:在熔炉中熔化岩石，测量产生的熔岩和冷却的玻璃的亮度，然后他们用这些亮度来计算覆盖在熔化或凝固物质的行星区域的亮度。他们的研究结果显示，熔岩和玻璃(至少是他们在实验室中熔化的材料的产物)的反射性不足以解释某些熔岩海洋行星所观测到的亮度。

他们的发现表明，炽热的超级地球可能有其他令人惊讶的特征，有助于它们的亮度，比如富含金属的大气层和高反射云。

麻省理工学院地球、大气和行星科学系的研究生Zahra Essack说:“关于这些由熔岩组成的海洋行星，我们还有很多东西要了解。”“我们认为它们只是发光的岩石球，但这些行星可能有复杂的表面系统和大气过程相当奇异，是我们以前从未见过的。”

埃萨克是详述该小组研究结果的第一作者，该研究结果发表在今天的《天体物理学杂志》上。她的合著者是前麻省理工学院博士后米克尔·帕朱萨鲁(Mihkel Pajusalu)和萨拉·西格尔(Sara Seager)。前者参与了实验的初始设置，后者是1941届行星科学教授，被任命为物理系、航空航天系的教授。

比木炭球还多

炽热的“超级地球”的质量是地球的1到10倍，公转周期极短，围绕主星公转的时间仅为10天或更短。科学家们曾预计，这些熔岩星球会离它们的主星如此之近，以至于任何可察觉的大气和云层都会被剥离。因此，它们的表面温度至少为850开尔文(1070华氏度)——足以让熔岩海洋覆盖其表面。

此前，科学家们发现了一些“超级地球”，它们的反照率出乎意料地高，也就是亮度高，它们反射了来自其恒星的40%到50%的光线。相比之下，地球的反照率，包括它所有的反射表面和云层，只有大约30%。

“你可能会认为这些熔岩行星是在太空中运行的木炭球——非常暗，一点也不亮，”Essack说。“那么是什么让它们如此明亮呢?”

有一种观点认为，熔岩本身可能是行星亮度的主要来源，尽管在观察和实验中都没有任何证据。

“作为麻省理工学院的学生，我们决定，好吧，我们应该制造一些熔岩，看看它是否明亮，”Essack说。

使熔岩

首先，为了制造熔岩，研究小组需要一个温度足以熔化玄武岩和长石的熔炉。他们选择了这两种岩石进行实验，因为它们是地球上常见的特征良好的材料。

事实证明，他们一开始只需要看看麻省理工学院(MIT)的铸造厂就可以了。那是材料科学与工程系的一个地方，在那里，训练有素的冶金学家帮助学生和研究人员在铸造厂的熔炉里熔化材料，用于研究和课堂项目。

埃萨克把长石的样品带到了铸厂，在那里，冶金学家决定了放置长石的坩埚类型和加热温度。

“他们把它扔进熔炉，让岩石融化，再把它拿出来，然后整个地方变成了一个熔炉——它非常热，”Essack说。“站在明亮炽热的熔岩旁，感受那股热度，是一种难以置信的体验。”

然而，这个实验很快就遇到了一个障碍:熔岩一旦从熔炉中被拉出来，几乎立刻就冷却成一种光滑的玻璃状物质。这一过程发生得如此之快，以至于埃萨克无法在熔岩仍处于熔融状态时测量其反射率。

于是，她把冷却的长石玻璃带到她设计并在校园里安装的光谱实验室，通过从不同角度照射一束光来测量它的反射率，并测量从表面反射回来的光量。她对冷却的玄武岩玻璃重复了这些实验，这些样品是雪城大学负责熔岩项目的同事捐赠的。几年前，西格尔为了实验的初步版本拜访了他们，当时收集了玄武岩样本，现在用于艾萨克的实验。

“他们融化了大量玄武岩，把它们倒下斜坡，然后为我们把它们凿成碎片，”西格说。

在测量了冷却的玄武岩和长石玻璃的亮度之后，艾萨克查阅了文献，找到了熔融硅酸盐的反射率测量值，而熔融硅酸盐是地球上熔岩的主要成分。她用这些测量作为参考来计算来自玄武岩和长石玻璃的初始熔岩的亮度。然后，她估算了一个炽热的超级地球的亮度，这个地球要么完全被熔岩覆盖，要么被冷却的玻璃覆盖，要么是两种材料的结合。

最后，她发现，无论表面物质的组合如何，熔岩海洋行星的反照率不会超过10%——与一些高温的超级地球的40%到50%的反照率相比，这是相当黑暗的。

“与地球相比，这是相当暗的，不足以解释我们感兴趣的行星的亮度，”Essack说。

这一认识缩小了解释观测结果的搜索范围，并指导未来的研究考虑其他奇异的可能性，例如大气中富含反射金属的存在。

“我们不能百分之百确定这些行星是由什么组成的，所以我们正在缩小参数空间，并指导未来对所有这些可能的选项的研究，”Essack说。

这项研究的资金部分来自美国宇航局的TESS任务，部分来自麻省理工学院的总统奖学金。