Bridging planets and stars using scaling laws in anelastic spherical shell dynamos
在快速旋转的行星和低质量恒星内部运行的发电机可能属于类似的类别，旋转起着至关重要的作用。我们使用缩放定律来量化这种相似性。我们分析直接数值模拟的Boussinesq和滞弹性球壳发电机。这些发电机代表了从类地行星到快速旋转的低质量恒星的简化模型。我们发现，磁场和速度在这些发电机相关的可用浮力功率通过一个简单的幂律，持有各种各样的控制参数。
2013-10-01 astro-ph.EP astro-ph.SR
Measuring Jupiter's water abundance by Juno: the link between interior and formation models
JUNO木星任务计划测量云层以下木星大气中的水丰度。这项测量很重要，因为它可以用来揭示木星的起源和组成的宝贵信息。在本文中，我们讨论了这种测量的重要性，在其解释的挑战，并解决它如何可以连接到木星的内部和形成模型。
2014-04-07 astro-ph.EP
A new perspective on interiors of ice-rich planets: Ice-rock mixture instead of ice on top of rock
富含冰的行星形成于水冰线的外部，因此预计含有大量的冰。高冰含量导致内部的独特条件，在这种条件下，行星的结构受到冰与其他金属相互作用的影响。我们应用高压下冰-岩相互作用的实验数据，计算了在超级地球到海王星的质量范围内（5-15个地球质量）可能的富冰行星内部结构的详细热演化。我们模型的影响，包括恒星通量和信封质量损失的影响，向内迁移的冰丰富的内部。我们发现，由于在高压下的可渗透性，冰和岩石预计将在数十亿年内在行星内部的大部分地区保持混合。我们还发现，如果没有发生质量损失，迁移到离恒星不同距离的行星孪生子的内部深处通常是相似的。显著的质量损失导致水从表面的岩石中分离出来，并出现不到行星质量1%的挥发性大气。水/蒸汽的大气质量受到冰-岩相互作用的限制。我们的结论是，当冰是丰富的行星内部的行星结构可能会显着不同的标准分层结构的水壳上的岩石核心。类似的结构预计在接近和更远的行星。
2022-01-16 astro-ph.EP physics.geo-ph
Estimating the magnetic field strength in hot Jupiters
与木星相比，大部分已知的类木星系外行星都是膨胀的。这些“热”彗星的轨道靠近它们的母恒星，并受到强烈星光的轰击。许多理论被提出来解释它们的半径膨胀，其中一些理论认为一小部分入射星光被注入行星内部，这有助于膨胀行星。这样的能量注入将如何影响行星发电机？在这封信中，我们估计表面磁场强度的热彗星使用缩放参数，涉及能量在行星内部的发电机产生的磁场。我们发现，如果我们考虑到注入行星内部的能量足以使热彗星膨胀到观测到的半径，那么由此产生的发电机应该能够产生比木星值强一个数量级以上的磁场。我们的分析突出了恒星光在热超导体中设置场强的潜在基本作用。
2017-10-15 astro-ph.EP astro-ph.SR
In hot water: effects of temperature-dependent interiors on the radii of water-rich super-Earths
观测技术的进步导致对超级地球质量和半径的测量越来越精确。这种测量被用于内部结构模型，以限制超级地球的内部成分。现在至关重要的是量化各种模型假设对预测半径的影响。特别是，模型经常忽略热效应，这一选择的理由是，一个固体类地行星的热膨胀很小。然而，富水内部的热效应可能是显著的。我们已经系统地探索了热效应在多大程度上可以影响富含水的超级地球的半径在很宽的范围内的质量，地面温度，表面压力和水团分数。我们开发了富水超级地球的温度依赖性内部结构模型，其中包括一个全面的温度依赖性水状态方程。我们发现，热效应诱导其半径的显着变化。例如，对于水质量百分比为10%的超级地球，假设表面压力为100 $\,$ bar，水层中存在绝热温度梯度，则当表面温度从300 K增加到1000 $\,$ K时，半径最多增加0.5 $\,$ R $_\oplus$。在较低的表面压力和/或较高的地面温度下，增加甚至更大，而改变水分数仅产生微小的差异。这些影响与当前的超级地球径向测量误差相当，其可以优于0.1 $\,$ R $_\oplus$。因此，在使用内部结构模型解释超级地球半径时，必须确保考虑到水的热行为。
2016-02-08 astro-ph.EP
Water and the interior structure of terrestrial planets and icy bodies
水的含量与类地行星和冰质天体的内部演化有着密切的联系。行星系中水的分布受原行星盘的温度结构、微行星和行星胚胎的动力学和迁移控制。这导致了星子和行星胚胎的形成，它们具有各种各样的成分，水含量和氧化程度。内部的演变，特别是星子的形成时间相对于由短命的26铝衰变的辐射加热的时间尺度可能会管理的含水硅酸盐和剩余的岩石-冰混合物的量在其演化的后期阶段。反过来，水含量可能会影响星子的早期内部演化，特别是金属硅酸盐分离过程。此外，水含量可能有助于增加氧逸度，从而影响太阳系天体硅酸盐储层中亲铁元素的浓度。最后，水含量强烈影响冰卫星的分化率，控制其内部演化，并支配其内部深处发生的蚀变过程。
2017-12-20 astro-ph.EP
Hydrogen-Water Mixtures in Giant Planet Interiors Studied with Ab Initio Simulations
我们使用从头算分子动力学模拟研究了行星内部条件下的水氢混合物。我们确定的热力学性质的各种水-氢混合比在2000和6000 K的温度为几十GPa的压力。这些条件与冰巨行星和气体巨行星的外壳有关。我们发现，在2000 K的混合物是在分子制度，而在6000 K的氢和水的解离是重要的，影响热力学性质。我们研究了液体的结构，并分析了径向分布函数。我们提供的传输特性，扩散和粘度的估计，自相关函数的基础上。我们得到的粘度估计的数量级的十分之几mPa.s的条件下考虑。这些结果与冰巨行星的发电机模拟有关。
2015-10-26 astro-ph.EP
Majority of water hides deep in the interiors of exoplanets
该研究通过第一性原理分子动力学模拟与行星内部建模，发现高压下水更易分配至铁中，系外行星超95%的水可能深藏于核心与地幔，水的分布假设会使行星半径测算偏差最高达25%，颠覆了传统水世界认知。
2024-01-29 astro-ph.EP
The Dynamics and Scaling Laws of Planetary Dynamos Driven by Inertial Waves
行星发电机的数值模拟仍然在远离行星的区域运行。例如，在行星内部，粘性力似乎不太可能是重要的，但有些模拟显示出对粘性的显著依赖，事实上，在一些模拟中，发电机机制本身就是粘性驱动的，在柱状对流辊内采取螺旋埃克曼泵送的形式。考虑到在类地行星和气态巨行星中观测到的外部磁场的相似性，以及在所有这些情况下埃克曼数的极小值，我们似乎很自然地假设这些行星中潜在的发电机机制与粘性无关，对机械边界条件不敏感。确定这种机制的关键步骤是确定行星核心螺旋度的来源。在本文中，我们探讨的可能性，在地球核心的螺旋度产生的自发发射的惯性波，驱动的赤道热通量在外核。
2014-02-14 astro-ph.EP
A dry Venusian interior constrained by atmospheric chemistry
本研究通过计算 H₂O、CO₂ 和 OCS 的大气损耗及火山补给需求，推断金星内部干燥，火山气体水摩尔分数至多 6%，支持其从未存在长期地表液态水。
2024-12-02 astro-ph.EP
Sub-Neptunes Are Drier Than They Seem: Rethinking the Origins of Water-Rich Worlds
本研究通过计算含岩浆海洋的合成亚海王星种群的全球化学平衡，推翻了冰吸积与富水大气的传统关联，发现富水大气仅存在于雪线内形成的贫氢行星上，多数亚海王星实际水含量远低于预期。
2025-08-29 astro-ph.EP physics.geo-ph
Superionic to superionic phase change in water: consequences for the interiors of Uranus and Neptune
使用密度泛函分子动力学自由能计算，我们表明，体心立方相的超离子冰以前被认为是唯一的阶段，实际上是不稳定的相比，一个新的阶段与氧的位置在面心立方晶格网站。新相具有比bc相低的质子迁移率，并且可以表现出更高的熔融温度。我们预测在1 +/- 0.5 Mbar的压力下，这两个阶段之间会发生过渡，这对天王星和海王星等冰巨星的内部可能产生影响。
2013-02-14 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci
Thermodynamically Governed Interior Models of Uranus and Neptune
天王星和海王星的内部模型通常假设离散的层，但只有当主要成分不混溶时，才有望出现尖锐的界面。如果吸积有利于挥发性最小的成分（顺便说一下也是最密集的）集中在中心，扩散界面可能会出现;在这种结构中出现的成分梯度可能会抑制对流。目前，有两条证据表明冰巨星内部可能存在氢-水不相容性。第一种是将实验氢-水临界曲线粗略外推至$\sim 3$ GPa（Bali等人，2013年）。这些数据是从一个含有硅酸盐的不纯系统中获得的，尽管天王星和海王星也可能是“脏的”。“目前的从头算模型不同意（Soubiran & Militzer 2015），尽管氢和水很难从第一原理量子力学以必要的精度建模。本文概述的冰巨星中氢-水不相容性的第二个论点，涉及到引力场和磁场的推理。虽然仍然缺乏共识，但我们在这里研究不相容的情况。应用由此产生的热力学约束，我们发现，海王星模型的信封含有大量的水摩尔分数，尽可能多的$χ\gtrsim 0.1$相对于氢，可以满足观测。相比之下，天王星模型似乎需要$χ\lesssim 0.01$，这可能暗示了氢和水的完全分离。氢-水的逐渐分离将提供足够的重力势能，足以为海王星提供大约十个太阳系生命周期的热流。氢-水的分层可以将海王星的冷却速度减慢一个数量级;不同的氢-水分层状态可以解释天王星和海王星不同的热流。
2021-01-30 astro-ph.EP
Probing the interiors of the ice giants: Shock compression of water to 700 GPa and 3.8 g/ccm
最近，已确认的太阳系外行星系的数量有了巨大的增加。我们对它们形成的理解与系外行星内部结构模型有关，这些模型依赖于轻元素和水等化合物的状态方程。在这里，我们提出了前所未有的准确性，水的冲击压缩数据表明水的状态方程中常用的行星建模显着高估的压缩性在行星内部的相关条件。此外，我们表明，在这些条件下，它的行为，包括反射率和等熵响应，是很好地描述了最近的第一性原理为基础的状态方程。这些发现主张将这种水模型用作海王星，天王星和“热海王星”系外行星的建模标准，并应提高我们对这些类型行星的理解。
2012-01-12 astro-ph.EP physics.plasm-ph
Interior characterization in multiplanetary systems: TRAPPIST-1
内部表征传统上依赖于单个行星的特性，忽略了同一系统中不同行星之间的相关性。对于多行星系，行星数据通常是相关的。这是因为，微分质量和半径比绝对行星质量和半径更好地受到约束。我们探索这样的相关性和特定的多行星系统的TRAPPIST-1的数据，并研究它们的价值，我们了解行星内部。此外，我们表明，岩石内部的行星在一个多行星系可以优先探测通过研究最密集的行星代表岩石内部的类似物。我们的方法包括一个贝叶斯推断分析，使用马尔可夫链蒙特卡罗方案。我们的内部估计占预期的变化，在组成和层的核心，地幔，水海洋和冰层，以及气体信封厚度。我们的研究结果表明，（1）内部估计显着依赖于可用的丰度代理和（2）内部表征的相互依赖的行星数据的重要性是可比的数据精度的变化30%。对于TRAPPIST-1行星的内部，我们发现可能的水团质量分数一般在0- 25%之间。由于缺乏水收支与轨道周期或行星质量的明确趋势，可能的形成情景受到挑战。虽然我们的估计随着数据精度的变化相对较小，但它们主要取决于数据的准确性。如果行星质量的变化在~ 24%以内，内部将与均匀（~ 7%）或随着轨道周期（~2- 12%）增加的水团比例一致。
2018-08-06 astro-ph.EP
Size and strength of self-excited dynamos in Jupiter-like extrasolar planets
太阳和太阳系外气体巨行星的磁化严重依赖于其对流流体内部的电子和质量输运系数。我们分析了最近的实验室实验结果的金属氢，推导出一个新的导电性的类木行星。我们结合这个修订的导电性与多方为基础的热力学状态方程，研究发电机行动在100个太阳系外的巨行星不同，从同步热木星快速旋转，质量范围从0.3兆焦耳至15兆焦耳。我们发现的传导核心比以前的估计要大，但与朱诺号的结果一致，这表明更大质量行星中的发电机可能位于较浅的位置。我们的研究结果显示，大多数太阳系外的巨人预计拥有偶极表面磁场在0.1-10高斯的范围内。假设无线电发射过程类似于我们的太阳巨星，大多数特征行星应该发射辐射的最大回旋频率在几到30 MHz之间，低于以前的估计。我们的工作为太阳系外磁场的观测可探测性设定了新的界限。
2018-03-08 astro-ph.EP
The Interior Dynamics of Water Planets
探测到的超级地球的目录不断扩大，需要在大量水层的情况下对其属性进行理论研究。这项工作考虑这样的水行星的质量和水团的质量分数（2至5 M_地球，0.02%至50% H2 O）的范围。首先，我们模拟的热量和动力学结构的近表面的冰和海洋表面，找到单独的制度，预计地球将保持一个地下液体海洋，并在那里预计将展示冰构造。根据对地面温度、热通量和重力的估计，新发现的系外行星可能属于这些区域之一。其次，我们构建了一个参数化的对流模型的底层冰地幔的更高的冰相，发现从硅酸盐铁核心释放的物质应该穿越冰地幔的时间尺度为0.1至100兆年。给出了冰幔翻转时间和行星半径对总质量和水团质量分数的依赖关系。最后，我们讨论了这些内部过程对大气观测的影响。
2010-01-17 astro-ph.EP
Interior-Atmosphere Coupling on TRAPPIST-1 f, g, and h: Cryovolcanic Water Exospheres and Infrared Detectability
Leiden University（莱顿大学）；TU Delft（代尔夫特理工大学）；National Observatory of Athens（雅典国家天文台）；California Institute of Technology（加州理工学院）
通过分层内部模型和蒙特卡洛模拟，研究 TRAPPIST-1 f, g, h 的内部结构能否维持地下液态水海洋，并评估冰火山喷发的水汽在 JWST 等望远镜下的可探测性。
2026-05-26 astro-ph.EP
Ab Initio Entropy Calculations of Water Predict the Interiors of Uranus and Neptune to be 15-30% Colder than Previous Models
本文通过从头算自由能计算获得水和超离子水的熵，构建天王星和海王星更冷的内部模型，预测其内部温度比先前模型低15-30%，并支持钻石雨和冰相分离的可能性。
2025-08-22 astro-ph.EP astro-ph.IM cond-mat.mtrl-sci
The habitability of stagnant-lid Earths around dwarf stars
行星的可居住性取决于各种因素，例如形成过程中的水输送，内部和大气的共同演化，以及随时间变化的恒星辐射。由于未知数量的岩石系外行星可能在单板块对流状态下运行，即，在没有板块构造的情况下，我们的目标是了解在何种条件下，处于这种停滞盖状态的行星可能支持可居住的表面条件。了解行星内部的相互作用和挥发物与大气的释气，结合宿主恒星的演化，对于确定潜在的可居住性至关重要。M型矮星特别具有高光度的主序前阶段，通过水分流失危及周围行星的可居住性。因此，我们探索从行星内部二次放气的潜力，以重建一个水库，允许在稍后阶段的可居住性。我们计算的宜居带周围的M，K，G和F-矮星使用一维无云的辐射-对流气候模型占CO2和H2O的放气历史从内部演化和放气模型不同的内部组成和恒星光度演化。宜居带的外缘在很大程度上取决于从内部释放的CO2的量，而内缘主要是通过恒星辐射来确定的，只要有足够大的水库被释放。M矮星周围的行星即使在高光度主序前阶段严重失水之后，只要地幔中保留了一些水，就有可能建立二级蓄水池。类似地球的滞盖行星允许在一个连续的宜居带内的宜居表面条件，这取决于内部组成。
2019-03-18 astro-ph.EP
The runaway greenhouse on subNeptune waterworlds
水蒸气失控的温室效应对水资源丰富的亚海王星的影响。特别是，有一个非常高的水库存的行星后失控的平衡过程的性质得到解决。从亚失控到超失控的条件跨越阈值导致从冷的深层液体海洋和深层内部冰X相的平衡状态过渡到热的超临界流体内部的状态。对于一个给定的质量，有一个相应的明显的半径膨胀，类似于前面提到的类地行星的失控的温室半径膨胀效应，但在目前的情况下，膨胀涉及行星的整个内部。计算采用AQUA状态方程数据库，简化了内部结构计算。对$\mathrm{H_2}$外加剂、硅酸盐芯和热态与冷态启动演化轨迹的影响进行了一些推测。观测的影响进行了讨论，虽然考虑的现象的质量半径签名的搜索是有限的简并和缺乏数据。
2022-12-05 astro-ph.EP
Atmospheres as windows into sub-Neptune interiors: coupled chemistry and structure of hydrogen-silane-water envelopes
本文将H、Si、O物种化学平衡与大气结构模型耦合，发现亚海王星内部与大气相互作用产生大量硅烷和水，抑制了对流并形成更厚的非对流区，表明岩浆与氢作用即可产生内源水。
2023-06-21 astro-ph.EP
Decaying shock studies of phase transitions in MgOSiO2 systems: implications for the Super-Earths interiors
本文报道高压下方镁石（MgO）、顽火辉石（MgSiO_3）和镁橄榄石（Mg_2SiO_4）相图的实验研究。用激光驱动衰减激波测量了MgO、MgSiO_3和Mg_2SiO_4在0.2 - 1.2TPa、0.12 - 0.5TPa和0.2 - 0.85TPa范围内的压力-温度曲线。在0.47 TPa和9860 K下观察到MgO中的熔融特征，而在MgSiO3和Mg2SiO4中均未观察到相变。在0.55TPa-12760K、0.15TPa-7540K、0.2TPa-5800K范围内，MgO、MgSiO3和Mg_2SiO_4液体的反射率分别增加。与SiO2相反，这些化合物的熔化和金属化不一致，这意味着在熔化线附近存在导电性差的液体。这对超级地球地幔发电机的产生具有重要意义。
2016-04-06 astro-ph.EP physics.geo-ph
Miscibility calculations for water and hydrogen in giant planets
我们目前的结果从头计算模拟的液态水-氢混合物的范围从2到70 GPa和从1000到6000 K，覆盖条件在冰巨行星的内部和部分的气体巨行星的外层。除了计算压力和内能外，我们还通过热力学积分推导出吉布斯自由能。对于所有考虑的条件，我们的模拟预测氢气和水以各种比例混合。混合物的热力学行为可以用理想混合近似来描述。我们认为，在巨行星中，水和氢的很大一部分可能以均匀混合的形式出现，而不是在单独的层中。混合的程度取决于行星的内部动力学及其形成条件，特别是当冰质星子被运送时，有多少氢存在。根据我们的研究结果，我们不能预测水氢混合物在巨行星演化的任何阶段都会发生相分离。我们还表明，氢含量的系外行星要高得多，如果混合内部假设。
2015-05-28 astro-ph.EP
The miscibility of hydrogen and water in planetary atmospheres and interiors
本文通过基于密度泛函理论的分子动力学模拟，研究行星内部极端条件下氢与水的混溶性，确定了氢-水体系相分离的临界曲线，并揭示其对系外行星包层结构、大气损失、冷却演化及磁场产生的重要影响。
2024-07-05 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.ao-ph
Was Venus Ever Habitable? Constraints from a Coupled Interior-Atmosphere-Redox Evolution Model
金星过去的气候演变是不确定的。大气环流模型模拟允许一个可居住的气候晚至~0.7 Ga，有连续性的，虽然不是决定性的证据，以前的液态水从地表地貌和矿物学。然而，目前还不清楚是否可以居住的过去可以与金星的推断大气演变。特别是，缺乏剩余的大气氧气反对最近的水损失。在这里，我们应用一个完全耦合的模型金星的大气内部气候演化后吸积岩浆海洋到现在。该模型自洽地跟踪C-，H-和O-轴承挥发物和表面气候通过整个金星的历史。大气逃逸、地幔对流、熔体产生、释气、深水循环和碳循环都与气候和氧化还原演化明确相关。板块构造和停滞盖的历史被认为是。使用这个耦合模型，我们得出结论，金星过去的可居住和金星从未拥有液态表面水的地方都可以与已知的约束相协调。具体来说，这两种情况都可以再现大规模的大气成分，推断的表面热流，和观察到的$^{40}$ Ar和$^{4}$ He。此外，该模型表明，在不违反任何已知约束的情况下，金星可能在1 Ga时就已经适合于100米的全球海洋。事实上，如果扩散限制的水损失被冷却的，CO $_2$占主导地位的高层大气所抑制，那么我们的模型暂时倾向于一个可居住的过去。这种逃逸节流使得难以同时回收现代大气中可忽略的水蒸气和~90 bar CO $_2$，而不通过硅酸盐风化暂时隔离内部的碳以增强H逃逸。
2021-10-29 astro-ph.EP
Oxidation of the Interiors of Carbide Exoplanets
天体物理测量表明，一些恒星具有足够高的碳氧比，使得它们所拥有的行星主要由碳化物而不是硅酸盐组成。我们在激光加热金刚石对顶砧室（LHDAC）中研究了碳化硅在水存在下在与行星内部相关的高压-温度条件下的行为。当与水反应时，碳化硅在高达50 GPa的压力和高达2500 K的温度下转化为二氧化硅（硅镁石）和金刚石：SiC +2 H $_2$ O -> SiO $_2$ + C +2 H $_2$。因此，如果水可以在碳化物行星的形成过程中或通过后来的输送被掺入其中，它们可能会被氧化，并在其内部具有以硅酸盐和金刚石为主的矿物学。该反应可以在较浅的深度产生CH $_4$，在更深的深度产生H $_2$，这些物质可以从内部脱气，导致转化的碳行星的大气中富含还原性气体。反应后多余的水可以储存在转化的碳行星内部的致密二氧化硅多晶型物中。这种矿物学向金刚石和硅酸盐的转化会降低富碳行星的密度，使转化后的行星在2-8地球质量范围内的质量-半径关系不同于硅酸盐行星。
2020-08-31 astro-ph.EP astro-ph.IM
A scaling relation for core heating by giant impacts and implications for dynamo onset
Earth and Planets Laboratory, Carnegie Institution for Science（地球与行星实验室，卡内基科学研究所）；Department of Astrophysics, University of Zurich（苏黎世大学天体物理学系）；Planetary Science Research Center, College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology（成都理工大学地球科学学院行星科学研究中心）；Physics Institute, Space Research and Planetary Sciences, University of Bern（伯尔尼大学空间研究与行星科学物理研究所）
研究通过SPH模拟探讨了巨撞击对地核加热的影响，推导出加热标度关系，发现撞击使地核温度升高约3000K，产生强热分层，冷却后290Myr内地核达到绝热状态，与月球年龄和地磁活动时间一致。
2026-04-20 astro-ph.EP
Unveiling the Interior Structure and Thermal Evolution of Super-Earth GJ 486b
本研究利用一维自洽耦合模型SERPINT探究超级地球GJ 486b的内部结构与热演化，明确了其核心参数、地幔固化时长及大气形成过程，为后续JWST观测研究该行星特性提供了支撑。
2025-01-17 astro-ph.EP
The effects of transport processes on the bulk composition of the first generation of planetesimals interior to the water iceline
本研究量化了动力学和碰撞输运对水冰线内星子成分的影响，发现非局域过程可导致氢硫富集达10原子百分比，促进成分均质化及更广泛的水蚀变。
2025-04-22 astro-ph.EP
Redox state and interior structure control on the long-term habitability of stagnant-lid planets
本文通过超过28万次一维耦合模拟，研究停滞盖层行星的地幔氧化还原状态和内部结构如何控制火山排气与地表水的长期维持，发现仅铁-方铁矿缓冲剂附近的狭窄氧化还原范围以及类水星大核结构有利于长期宜居。
2023-06-08 astro-ph.EP
The uncertainty in water mass fraction of wet planets
The Open University of Israel（以色列开放大学）
本研究利用MAGRATHEA模型探讨高含水量行星的内部结构，揭示了水-岩石互溶性对水质量分数估计的不确定性。
2026-01-07 astro-ph.EP
Icy or rocky? Convective or stable? New interior models of Uranus and Neptune
University of Zürich（苏黎世大学）
该研究提出了一种新的方法，用于构建乌尔坎和海王星的内部模型，发现其内部结构可能包含水主导或岩质主导的配置，并挑战了传统将二者归类为冰巨星的观点。
2025-10-28 astro-ph.EP
Evolution of steam worlds: energetic aspects
University of California, Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校）；Imperial College London（伦敦帝国学院）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）
本研究提出了一种针对水丰富亚Neptune行星的先进结构和演化模型，揭示了其半径变化和内部水状态对演化的影响。
2025-05-19 astro-ph.EP
Internal water storage capacity of terrestrial planets and the effect of hydration on the M-R relation
了解水和镁硅酸盐或铁之间的化学相互作用对于限制富含水的行星内部至关重要。然而，迄今为止，水合作用的影响大多被天体物理学界所忽视。由于这种效应不太可能对理论质量-半径关系产生重大影响，因此只要测量不确定性较大，这是合理的。然而，即将到来的飞行任务，如PLATO飞行任务（计划于2026年发射），预计半径和质量的精度分别达到$\approx 3 \%$和$\approx 10 \%$。因此，我们可能很快就会进入系外行星研究的一个领域，其中各种物理和化学效应，如水合作用，再也不能被忽视。我们的目标是构建行星的内部模型，包括可靠的处方水化的核心和地幔。这些模型可以用来完善以前的结果，其中水化被忽略，并指导未来的观测系外行星的表征。我们已经开发了数值工具来解决多层行星的结构与可变的边界条件和成分。在这里，我们考虑三种类型的行星：干燥的内部，水合内部和干燥的内部+表面海洋的质量分数对应于质量分数的$\rm H_2 O$相当于在水合的情况下。我们发现氢/羟基存储容量相当于$0-6 \rm \ wt\% \ \rm H_{2}O$对应的含水行星高达$\approx 800 \rm \ km$深海层。在质量范围$0.1 \leq M/M_\oplus \leq 3$的总半径的水合作用的效果被认为是$\leq 2.5\%$，而分化成一个孤立的表面海洋的效果是$\leq 5 \ \%$。此外，我们发现，我…
2021-02-01 astro-ph.EP
Hidden water in magma ocean exoplanets
我们证明，岩浆海洋的深层挥发性存储能力有显着的影响，从系外行星质量和半径数据推断的体积组成，内部和气候状态。实验岩石学提供了水和熔体混合能力的基本性质。到目前为止，这些数据在很大程度上被忽略了系外行星质量半径建模。在这里，我们提出了一个先进的内部模型，为富含水的岩石系外行星。新的模型使我们能够测试岩石融化和岩浆海洋和大气之间的水的重新分配对计算出的行星半径的影响。有和没有岩石融化和水分割模型导致偏差的行星半径高达16%的固定散装成分和行星质量。这在单个系统的当前精度范围内，并且在总体水平上可以进行统计测试。因此，在反演中未被认识到的地幔熔融和挥发性物质的重新分布可能会低估推断的行星体含水量高达一个数量级。
2021-10-28 astro-ph.EP
Thermodynamic Limits on Magnetodynamos in Rocky Exoplanets
为了确定磁性发电机是否在比地球更大或更热的岩石系外行星中运行，我们开发了一个分化的岩石行星及其热演化的参数模型。我们的模型再现了目前地球内部和磁场的既定性质。当应用于金星时，假设行星缺乏板块构造，并且具有粘度升高的脱水地幔，该模型显示发电机关闭或从未运行。我们的模型预测，在一个固定的行星质量，发电机的历史是敏感的核心大小，但不长寿命的，发热的放射性核素的初始库存。它预测，大于2.5个地球质量的岩石行星将不会发展内核，因为铁固相线的温度-压力斜率变得比核心的温度-压力斜率更平坦。相反，铁“雪”将在这些核心附近或顶部凝结，向上的潜热净转移将抑制对流和发电机。更大质量的行星可能由于核心冷却而具有贫血的发电机，但前提是它们具有移动的盖子（板块构造）。这些发电机的寿命随着行星质量的增加而缩短，但随着地面温度的升高而延长。像金星一样的大质量行星，有着停滞的盖子和更粘稠的地幔，将完全缺乏发电机。我们确定了岩石行星上的磁场的两个替代来源：在非常短的周期轨道上的行星的热或熔融的上层引起的涡电流，和发电机的离子导电层的“海洋”行星与水（冰）的上地幔中的~10%的质量。
2010-05-19 astro-ph.EP astro-ph.SR
Observation uncertainty effects on the precision of interior planetary parameters
本文量化了质量和半径观测不确定性对岩石与水行星成分推断误差的影响，给出了达到目标成分精度所需的质量和半径精度要求，并发现矿物学知识缺乏导致铁质量分数存在约±5个百分点的误差下限，为优化系外行星观测策略提供指导。
2024-05-06 astro-ph.EP
H$_{2}$-H$_{2}$O demixing in Uranus and Neptune: Adiabatic structure models
本研究构建 H2-H2O 相图与绝热内部模型，约束天王星和海王星的大气水丰度及分层转变压力，并解释其引力谐波与层状结构成因。
2024-10-28 astro-ph.EP
Water content trends in K2-138 and other low-mass multiplanetary systems
在多行星系统中同时发现了超级地球和次海王星，这表明它们适合研究同一环境中的组成和形成。我们对五个多行星系统进行了均匀的内部结构分析，以探讨其组成趋势及其与行星形成的关系。对于K2-138，我们提出了修订的质量和恒星宿主化学丰度，以改善对行星内部的约束。我们对恒星光谱进行逐线差分光谱分析，以获得其化学丰度和行星参数。我们选择具有五个或更多低质量行星的多行星系统，这些行星具有质量和半径数据。我们对K2-138，TOI-178，Kepler-11，Kepler-102和Kepler-80系统进行了均匀的内部结构分析，并估计了其行星的挥发性质量分数，假设挥发性层由蒸汽和超临界相的水组成。我们的走廊-大气模型考虑了辐射对表面条件的影响。K2-138的内行星的挥发性质量分数随着距离主星的距离而增加，而外行星的水含量则大致恒定。这与先前用相同的走廊-大气模式进行的分析中在TRAPPIST-1中观察到的趋势相似。开普勒-102系统可能会呈现这种趋势。在所有的多行星系统中，内行星的低挥发性质量分数可能是由于大气逃逸，而外行星的高挥发性质量分数可能是由于冰线附近的富冰物质的吸积以及后来的向内迁移。开普勒-102和开普勒-80的内行星具有高的核心质量分数，这可能是由于地幔蒸发，撞击或在岩石线附近形成。
2022-01-27 astro-ph.EP
A water-rich interior in the temperate sub-Neptune K2-18 b revealed by JWST
本研究通过JWST/NIRSpec观测K2-18 b，稳健探测到CH4和CO2，确立其富含水的特性，并评估了潜在生物特征气体的非生物形成可能性。
2025-07-16 astro-ph.EP physics.ao-ph
Implications of an improved water equation of state for water-rich planets
水（H $_{2}$ O），以各种形式存在，是行星体的重要组成部分，控制着可居住性并影响着地质活动。在许多行星内部的条件下，随着压力的增加，水的氢键逐渐减弱，并被离子键所取代。最近的水状态方程（EOS）的实验测量表明，一个新的阶段的H-键合的水冰，冰-VII $_t$，和一个相对较低的过渡压力略高于30 GPa的离子键合的冰-X，它具有体积模量大2.5倍。冰-X的体积模量较高，对于给定的质量，会产生更大的行星，从而减少大气对许多系外行星体积的贡献，或者限制它们的含水量。我们研究了新的EOS测量对行星质量半径关系和富水行星内部结构的影响。我们发现，由以前和新的实验EOS测量之间的系统差异引起的行星质量半径关系的变化与某些行星大小的观测不确定性相当-随着观测的不断改善，这个问题将变得更加重要。
2021-03-02 astro-ph.EP
Interior structure models of GJ 436b
GJ 436 b是第一颗在质量和半径上与海王星相似的太阳系外行星。海王星大小的行星特别有趣的性质是它们的质量Mp和半径Rp接近水行星的理论M-R关系。然而，给定Mp、Rp和平衡温度，各种内部组成是可能的。这里提出了一套广泛的内部结构模型，说明了内部成分的依赖性和可能的阶段的水发生在假定富含水的行星，如GJ 436 b的大气温度分布和平均密度的不确定性。我们展示了如何可以缩小的解决方案，如果理论约束的形成和模型大气中应用或潜在的观测约束的大气金属丰度Z1和潮汐勒夫数K2。我们通过假设三层（氢氦包层，水层，岩石核心）或两层（H/He/H2O包层，岩石核心）来模拟内部。对于水，我们使用基于FT-DFT-MD模拟的状态方程H2O-REOS。一些氢/氦的混合物似乎必须解释测量的半径。对于最热的模型，H/He的质量分数可以降低到10^-3，但仍然超过约0.7 REarth。如果出现水，它将基本上处于等离子体相或超离子相，但不是冰相。不含金属的包层模型有0.02<k2<0.2，核心质量不能从k2的测量中确定。相比之下，0.3<k2<0.82的模型要求外层的金属丰度Z1<0.89。当k2>0.3时，地核质量的不确定度减小到0.4Mp，当k2>0.5时，进一步减小到0.2Mp，地核质量和Z1成为k2的敏感函数。为了进一步缩小解决方案的范围，有必要适当处理大气层和演变。
2010-10-01 astro-ph.EP astro-ph.SR
A magnetotelluric instrument for probing the interiors of Europa and other worlds
前往木星冰冷的卫星欧罗巴的着陆器任务的一个目标是探测30公里内的液态水，并描述地下海洋的特征。为了满足这一目标，还必须确定冰壳内的水。感应电磁（EM）方法是欧罗巴上水探测的最佳方法，因为即使是一小部分溶解的盐也会使水的导电性比冰壳高几个数量级。与伽利略航天器的感应研究相比，需要测量更高频率的环境电磁场来解决壳内水的较浅深度。虽然这些领域的特点主要是由以前的任务，其未知的源结构和等离子体属性不允许EM探测使用一个单一的表面磁强计或轨道到表面的磁传递函数，分别。相反，宽带EM探测可以使用大地电磁（MT）方法从单个地面站完成，该方法测量水平电场以及三分量磁场。我们已经开发了一个原型欧罗巴大地电磁测深仪（EMS），以满足相关的热，真空和辐射环境中的测量要求。EMS包括中央电子设备、桅杆上的磁通门磁力计和三个弹道部署的电极，以测量表面电势的差异。在本文中，我们描述了EMS的发展和测试，以及提供支持信息的概念，业务和计算水的可探测性。EMS可以唯一地确定木卫二壳内水的发生，提供了重要的可居住性限制。
2021-01-17 astro-ph.EP astro-ph.IM
Material Properties for the Interiors of Massive Giant Planets and Brown Dwarfs
我们目前的热力学材料和输运性质的极端条件下普遍存在的内部大质量的巨行星和棕矮星。它们是从广泛的\textit{ab initio}模拟氢氦混合物沿等熵线的三个代表性的对象。特别是，我们确定的热容，的热膨胀系数，等温压缩性，和声速。重要的传输性能，如电导率和热导率，不透明度，和剪切粘度也计算。进一步的结果，相关的数量，包括磁和热扩散率，运动剪切粘度，以及静态洛夫数$k_2$和等距。相对于大质量行星，大质量巨行星和褐矮星内部的行为更受简并物质的支配。我们讨论了这些大质量天体可能的动力学和磁场的影响。在这里编译的一致的数据集可以作为起点，以获得其他亚恒星氢氦物体的质量超过一个木星质量的材料和运输性能，最后可以用作输入发电机模拟。
2018-08-13 astro-ph.EP
The effect of temperature evolution on the interior structure of H${}_{2}$O-rich planets
对于大多数半径在1到4 R $_{\oplus}$范围内的行星，水是内部组成的主要成分。在高压下，H ${}_{2}$ O可以是固体，但对于较大的行星，如海王星，温度可能太高。质量和年龄在决定固体和流体（以及混合）富水超级地球之间的过渡方面发挥着作用。我们利用最新的H ${}_{2}$ O高压和超高压相图，通过与各种行星模型的内部相图的比较，展示了行星内部的温度演化，特别是H ${}_{2}$ O状态的温度演化。事实证明，行星内部的大部分H ${}_{2}$ O可能以各种状态存在，如等离子体，超离子，离子，Ice VII，Ice X等，取决于行星的大小年龄和冷却速度质量半径相空间的不同区域也被确定为对应于不同的行星结构。一般来说，年龄超过3 Gyr的超地球大小的行星（孤立或没有显着的母星辐射效应）大部分是固体。
2014-02-28 astro-ph.EP
Water-rich sub-Neptunes and rocky super Earths around different Stars: Radii shaped by Volatile Partitioning, Formation, and Evolution
Max Planck Institute for Astronomy（马克斯·普朗克天文研究所）；Observatoire de la Côte d’Azur（蔚蓝海岸天文台）；ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；University of Chicago（芝加哥大学）；Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)（安达卢西亚天体物理研究所（IAA-CSIC））；University of Zürich（苏黎世大学）
本研究耦合行星形成与演化模型，探究水的光致蒸发、分异、分馏及溶解效应对亚海王星等小行星半径的影响，发现多数场景的质量-半径关系与观测一致，为理解行星形成演化提供参考。
2026-10-08 astro-ph.EP
Numerical simulations of astrophysical dynamos and applications to giant planets
ICE-CSIC（空间科学与工业研究所）
本研究通过数值模拟探讨了自激发电机在星际介质和巨行星内部的作用，分析了磁场演化及行星磁性特征。
2025-12-10 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Thermal evolution and structure models of the transiting super-Earth GJ 1214b
行星GJ 1214 b是第二个已知的超级地球，具有测量的质量和半径。它围绕着一颗安静的M星运行，与CoRoT-7 b相比，它接收到的质量损失驱动X射线和紫外线辐射要少得多，因此内部的成分可能非常不同，包括很大一部分的水。我们模拟GJ 1214 b的内部假设一个两层（信封+岩石核心）结构，其中信封材料是H/He，纯水，或H/He和H2O的混合物。在这个框架内，我们执行模型的热演化和收缩的星球。我们讨论了可能的成分，是一致的Mp=6.55 ME，Rp=2.678 RE，年龄τ =3-10 Gyr，和大气的辐照水平。这些条件要求，如果水存在于内部，则它必须保持在流体状态，这对磁场产生具有重要影响。这些条件还要求气氛具有向下延伸至80-800巴的深等温区域，这取决于组成。我们的研究结果支持了这颗行星富含金属的H/He大气的建议，因为我们发现缺乏H/He大气的水世界模型需要超过6：1的难以置信的大水岩比。相反，我们倾向于一个高水团分数（~0.5-0.85）的H/He/H2O信封，类似于最近的天王星和海王星的深信封模型。即使在氢/氦包层中有很高的水团比例，一般来说，行星的整体成分可以有太阳下的水：岩石比例。干，富水，纯水信封模型不同的观测显着水平，其潮汐勒夫数k2分别为~0.018，0.15，和0.7。
2011-03-08 astro-ph.EP
Convective Heat Transport Asymptotic Law in an $α^2$ dynamo model
Università degli Studi di Roma Tor Vergata（罗马托尔维尔加塔大学）
本研究通过简化热驱动壳模型，揭示了磁场对对流热传递的增强作用，发现努塞尔数随湍流和雷诺数、普朗特数呈幂律关系。
2025-12-01 astro-ph.EP astro-ph.SR
Thermal Evolution and magnetic history of rocky planets
我们提出了一个热演化模型，再加上Henyey求解器研究的情况下，岩石行星可能会在其液态铁核和/或岩浆海洋的发电机。我们通过求解地幔和地核的能量平衡方程来计算行星热剖面的演化。我们使用一个改进的混合长度理论来模拟岩浆海洋和固体地幔中的对流热流。此外，通过包括Henyey解算器，我们自洽地解释了由于行星收缩（膨胀）而引起的内部结构和加热（冷却）的调整。我们评估发电机是否可以使用临界磁雷诺数运行。我们运行模拟来探索行星质量（$M_{pl}$），核心质量分数（CMF）和平衡温度（$T_{eq}$）如何影响可能的发电机源的演化和寿命。我们发现，$T_{eq}$决定了岩浆海洋的凝固制度，只有层熔体分数大于0.4的临界值可能有助于在岩浆海洋的发电机源区。我们发现由$M_{pl}$和CMF确定的地幔质量控制着对铁核的绝热作用。此外，我们还发现，随着行星质量的增加，液核的寿命会延长。对于40 $\ \mathrm{Wm^{-1}K^{-1}}$的核心热导率，铁核心中的发电机的寿命受到1个$M_{\oplus}$行星的液体核心的寿命和3个$M_{\oplus}$行星的缺乏热对流的限制。
2022-08-12 astro-ph.EP
From Underground Oceans to Continents: A Glimpse into the Water Inventory on Rocky Planets using Host Star Abundances
Carnegie Institution for Science（卡内基科学研究所）；Purdue University（普渡大学）
本研究利用APOGEE和GALAH的689颗岩质行星样本，首次探究地幔组成、地形与行星半径对岩质行星水储量的影响，发现地幔氧化态、地形显著影响储水能力与地表淹没情况，为行星宜居性研究提供新依据。
2025-10-28 astro-ph.EP astro-ph.SR
Rocky planet or water world? Observability of low-density lava world atmospheres
本研究利用辐射-对流模型模拟低密度熔岩世界的大气，发现其红外光谱可探测H₂O、CO₂等挥发分，JWST约5次掩食即可检测，为超级地球内部富挥发分提供独立证据。
2023-06-16 astro-ph.EP
A Framework for Quantifying the Degeneracies of Exoplanet Interior Compositions
预计在未来几年内将发现几个过境的超级地球。虽然存在对凌日行星内部结构进行建模的工具，但关于其组成的推断充满了模糊性。我们提出了一个框架来量化我们可以从半径和质量测量中有力地推断出超级地球和海王星大小的系外行星内部。我们引入四元图来说明行星的内部组成可能有四层（铁核心，硅酸盐地幔，水层，和H/He信封）的范围。我们将我们的模型应用于CoRoT-7 b，GJ 436 b和HAT-P-11b。对H/He包层行星的解释受到内部温度模型不确定性的限制，而对于CoRoT-7 b，观测不确定性占主导地位。我们进一步发现，我们的行星内部模型锐化了对CoRoT-7 b质量和半径的观测约束，假设行星不包含大量的水或气体。我们表明，可以放置在一个超级地球的组成的限制的强度取决于行星的密度;对于类似的观测不确定性，高密度的超级水星允许最严格的组成约束。最后，我们描述了如何从贝叶斯统计技术可以被用来考虑在一个正式的方式相结合的贡献，理论和观测的不确定性，在一个行星的内部组成的模糊性。总的来说，只有质量和半径的测量不能推断出系外行星的确切内部组成，因为这个问题是高度不受约束的。然而，可以找到合理成分的详细定量范围。
2010-06-04 astro-ph.EP
