天文學家對行星形成過程中的水起源有新發現

由 Francesca Miozzi 與 Anat Shahar 領導，美國卡內基科學研究所（Carnegie Institution for Science）的研究團隊，與法國巴黎地球物理研究所（IPGP）及加州大學洛杉磯分校（UCLA）合作，在《自然》期刊發表一項劃時代研究，指出大量的水在行星形成的自然過程中即可生成，無需依賴彗星或其它外部天體的撞擊輸送。這項實驗為「行星水的起源」這一長期爭議問題提供了新的答案，並對理解行星宜居性產生深遠影響。

研究背景與目標

銀河系中目前已發現逾6,000顆系外行星，其中亞海王星型（Sub-Neptune）是最常見的類型。這些行星比地球大、比海王星小，擁有岩質核心與厚重的氫氣大氣層。過去理論推測，這類行星若存在水，可能來自外部撞擊或冰質天體，但此次研究首次證明，水可由氫氣與熔融岩漿海洋的化學反應自行產生。

研究團隊提出假設：在行星誕生初期，岩石行星會被熔融岩漿海洋覆蓋，並包圍於濃厚的氫氣大氣之中。當氫氣進入含鐵的矽酸鹽熔體中時，會與氧化鐵（FeO）發生還原反應，生成水（H₂O）並釋放出氫。這個過程可能是行星形成時自然的副產物，而非外來供給。

實驗方法

研究人員利用鑽石壓砧（diamond anvil cell）技術，模擬年輕行星內部的極端條件：壓力高達 **60 GPa（約為地球大氣壓的60萬倍）；溫度超過 4,000°C

在這種環境中，氫氣與富含鐵的矽酸鹽熔體進行反應，模擬早期行星的「原始氫氣大氣」與「熔融岩漿海洋」的交互作用。

主要成果

1. 首次實驗性證據：
實驗證明氫氣可大量溶入岩漿熔體，並自然生成大量水分子。

2. 化學反應機制明確：
分子氫（H₂）會將氧化鐵（FeO）還原，形成水（H₂O）。

3. 對行星演化的影響：
這種內部「水的自生」機制可改變行星內部結構、核心形成與大氣組成，甚至可能影響行星最終是否具備液態水與宜居環境。

理論意涵與廣泛影響

這項研究顯示，水的形成是行星演化的自然結果，並非地球獨有現象。
由於亞海王星型行星在銀河系中極為普遍，這意味著宇宙中潛在宜居行星的數量可能遠超以往預期。

研究亦支持「內生成水理論（Endogenic Water Hypothesis）」，即行星內部的化學作用足以製造出海洋所需的水量，而無需外部供應。這種觀點挑戰傳統的「彗星帶水」模型，重新定義我們對行星形成與生命起源條件的理解。

AEThER計劃背景

此研究隸屬 AEThER（Atmospheric Empirical, Theoretical, and Experimental Research） 計劃，由 Shahar 博士主持，結合天文學、礦物物理、行星動力學與宇宙化學等領域，目標在探索行星大氣與內部化學的互動機制，並尋找宜居行星形成的普遍規律。

結論

Francesca Miozzi 指出，這項研究首次在實驗中證實兩項關鍵過程：氫大量溶入熔體；大量水由氫與氧化鐵反應生成。

正如 Anat Shahar 總結：「液態水被視為宜居行星的關鍵要素，而我們的研究證明，水的形成本身就是行星誕生的自然結果。」這一成果不僅揭露地球水的來源，也為探索遙遠世界的生命潛能開啟新方向。

（內容由 ChatGPT Atlas 編寫；資料來源：美國卡內基科學研究所（Carnegie Institution for Science），2025年10月30日新聞公佈）
（圖片來源：美國卡內基科學研究所（Carnegie Institution for Science）、法國巴黎地球物理研究所（IPGP）及加州大學洛杉磯分校（UCLA）

這項研究2025年10月30日發表於《自然》期刊，論文標題為：Experiments reveal extreme water generation during planet formation