The Radius Cliff is a Waterfall: Explaining Sub-Neptune Exoplanets with Steam Worlds
NASA Ames Research Center(NASA Ames研究中心);Pontificia Universidad Católica de Chile(智利天主教 Pontificia 大学);University of California, Santa Cruz(加州大学圣克鲁兹分校);Universidad Nacional Autónoma de México(墨西哥国立自治大学)
本文通过蒸汽世界模型解释类海王星行星的半径峡谷,发现水世界无法单独解释大半径行星,需考虑H/He气体富集。
2026-02-12 astro-ph.EP astro-ph.SR
Beyond runaway: initiation of the post-runaway greenhouse state on rocky exoplanets
失控的温室效应代表了岩石类地球世界的终极气候灾难:当进入的恒星通量无法通过对太空的辐射平衡时,海洋蒸发并加剧加热,将地球变成一个炎热的荒地,蒸汽大气覆盖在可能熔融的岩浆表面上。失控温室星座极限之外的平衡态取决于大气的辐射特性及其温度结构。在这里,我们使用1-D的辐射对流模式的蒸汽大气探索从对流层辐射极限后失控的气候状态的过渡。为了便于最终的模拟与3-D全球环流模式,计算效率带灰色模型的开发,这是能够再现更全面的计算的关键功能。我们分析了两个因素,决定了平衡的地面温度后失控的行星。由于干燥的水汽渗透到大气层的光学厚度较薄的上部区域,行星的红外冷却得到了强烈的增强。此外,从热的低层大气,它可以辐射通过窗口区域的频谱短波和近红外通量的热发射,量化。在失控的温室状态下对岩石系外行星的天文观测可以使用多波长观测来区分这些特征。
2021-07-29 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Formation of Early Water Oceans on Rocky Planets
具有硅酸盐地幔和金属内核的类地行星在吸积过程中很可能获得水和碳化合物。在这里,我研究了允许早期形成地表水海洋的条件(同时冷却到半地表条件),以及行星内部脱气进入大气层的时间轴。在岩浆海洋凝固结束时,行星最初挥发物预算的最大部分被脱气到大气中,只有一小部分原始挥发物通过后来的火山活动被释放到大气中。岩石行星在其地幔中与水共生,有两种机制产生早期的水海洋:第一,如果它们在其整体组成中与至少1至3质量%的水共生,则液态水可能在岩浆海洋凝固结束时被挤出到行星表面。第二,在初始水含量低至0.01质量%或更低时,在固化过程中产生大量的超临界流体和蒸汽气氛,其在冷却时坍塌成水海洋。这一过程所需的低含水量表明,岩石超级地球系外行星可能会在其最后一次主要吸积撞击后的数千万至数亿年内,通过大气层的崩溃,通常会产生水海洋。
2010-11-11 astro-ph.EP
Mantle mineralogy limits to rocky planet water inventories
岩石行星地幔中名义上无水的矿物可以将海洋的水作为一个整体隔离,限制大量的水库存。在这里,我们预测地幔水容量的水在其组成矿物中的溶解度有限。我们报告的地幔水容量的变化,由于(i)主机星耐火元素丰度,设置矿物学,(ii)现实的地幔温度的情况下,和(iii)行星质量。我们发现,大到足以稳定钙钛矿的行星几乎总是有一个干燥的下地幔,顶部是一个高水容量的过渡区,这可能是行星内部水运输的瓶颈。由于定义下地幔的环木岩-钙钛矿相边界的压力对行星质量大致不敏感,上地幔储层的相对贡献将随着行星质量的增加而减少。因此,大型岩石行星的地幔水容量不成比例地小。在实践中,我们的结果将代表初始水浓度分布在行星地幔,其原始岩浆海洋是水饱和。我们认为,相当大比例的巨大岩石行星的吸积水预算将在岩浆海洋凝固后立即形成表面海洋或大气水蒸气,这可能会降低这些行星拥有陆地的可能性。这项工作是理解行星深水循环,流变学和融化介导的热演化以及水世界频率的一步。
2023-01-11 astro-ph.EP
Solubility of Iron in Metallic Hydrogen and Stability of Dense Cores in Giant Planets
在我们的太阳系中,巨大行星的形成,以及大部分巨大的系外行星的形成,通常被解释为星云中的氢和氦吸积到一个类似地球成分的大核心上。这个核心的命运对地球内部结构的演变有着重要的影响。最近的研究表明,H2O、MgO和SiO2在高温高压下溶解在液态金属氢中。在这项研究中,我们进行从头计算来研究最内层金属核的溶解度。我们发现溶解铁是强烈的青睐以上2000 K在整个压力范围内(0.4-4 TPa)考虑。我们比较和总结其他可能的核心成分的溶解度的结果。计算结果表明,巨行星的核心与周围的层处于热力学不平衡状态,促进了重元素的侵蚀和重新分布。铁和岩石之间溶解度行为的差异可能会影响内部的演化,特别是对于土星质量的行星。了解铁和其他重元素在气体巨星中的分布,可能有助于理解质量-半径关系,以及纯氢氦混合物的输运性质偏差。
2013-03-27 astro-ph.EP cond-mat.other
Revised mass-radius relationships for water-rich rocky planets more irradiated than the runaway greenhouse limit
富水岩石行星的质量-半径关系通常是假设大多数水以凝聚态(液态或固态)存在。然后将行星密度估计值与这些质量-半径关系进行比较,即使这些行星的辐射超过失控的温室辐射极限(围绕类太阳恒星运行的行星的太阳辐射约为地球的1.1倍),其中水已被证明是不稳定的凝聚形式,而是形成厚厚的H2O主导的大气。在这里,我们使用LMD通用数值气候模型来推导新的质量半径关系,适用于富含水的岩石行星,这些行星的辐射超过失控的温室辐射极限,这意味着行星具有蒸汽,水为主的大气。对于一个给定的水-岩石质量比,这些新的质量-半径关系导致行星的体积密度远低于假设水处于凝聚态时的计算值。换句话说,使用传统的质量半径关系来计算比失控的温室辐射极限更受辐射的行星往往会大大高估-可能是几个数量级-它们的体积水含量。特别是,这一结果适用于TRAPPIST-1 b,c和d,可以容纳水团的质量分数最多为2%,0.3%和0.08%,分别假设行星的核心与地球的组成。此外,我们表明,显着的变化的质量半径的关系(行星之间的辐射比失控的温室极限)可以用来消除散装组成简并在多行星系统,如TRAPPIST-1。最后,我们提供了一个经验公式的H2O蒸汽大气厚度,可用于构建质量半径关系的任何水资源丰富,岩石行星辐射超过失控的温室辐射阈值。
2020-07-01 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Idealised 3D simulations of diabatically-forced Ledoux convection. Application to the atmosphere of hot rocky exoplanets
我们研究了热成分非绝热过程对对流数值模拟的影响。我们的研究集中在模拟与稳定的温度梯度和不稳定的平均分子量梯度。我们的目标是建立在这样的设置降低温度梯度的可能性。一套三维模拟进行了使用数值流体动力学代码。作为一个简化的测试案例,我们使用了一个热岩石系外行星的次级大气样本区域,在该区域内可能发生CO+O $\leftrightarrow$ CO $_{2}$的化学转变。牛顿冷却和化学源项用于保持负的平均分子量梯度。我们的研究结果表明,这种设置可以降低温度梯度,这一结果不会随着分辨率或时间的推移而收敛。我们还表明,降低的温度梯度的存在是强迫时间尺度的函数。当化学强迫快速时,上述过渡导致温度分布的分叉,这让人想起蒸汽/液体对流沸腾危机中所见的分叉。在这些理想化的设置中,温度梯度降低,存在着类似于岩石系外行星大气光谱中的变红(目前在棕矮星光谱中观察到)的可能性。详细的一维建模是必要的,为了表征平衡的热梯度和成分梯度,时间尺度,以及一个现实的状态方程的影响,以评估如果这里确定的制度将在现实的情况下发展。然而,不能先验地排除这种可能性。这一预测对于地球大气来说是新的,并且代表了在分析岩石系外行星的大气光谱时使用非绝热模型的强烈动机,这些岩石系外行星将用例如詹姆斯·韦伯太空望远镜观测。
2021-06-23 astro-ph.EP
Laboratory spectra of hot molecules: data needs for hot super-Earth exoplanets
大多数恒星现在被认为支持系外行星。迄今为止发现的许多系外行星都被归类为有大气层的岩石天体。然而,这些天体中的大多数由于轨道周期短而很热。模型表明,水是它们大气中的主要物种。高温预计将把这些大气层变成一个(高压)蒸汽浴,其中含有熔融岩石的残留物。这些炽热岩石天体的光谱将与较冷的天体或炽热气体巨星的光谱非常不同。分子建议是重要的光谱学这些对象的审查与相应的光谱数据的当前状态。作为ExoMol项目的一部分,讨论了建立适用于岩石超级地球大气模型的线性/截面综合数据库的前景。总结了量子力学方法在线性生产中的应用及其面临的挑战。
2017-05-19 astro-ph.EP astro-ph.SR
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
Retention of surface water on tidally locked rocky planets in the Venus zone around M dwarfs
本文利用双柱湿辐射-对流-下沉模型研究M矮星金星带内潮汐锁定行星从失控温室状态的水凝结过程,发现凝结存在暖不稳定与冷稳定两个平衡态,并量化了塌缩态表面水质量随入射通量、背景气压和温室气体光学厚度的变化。
2025-06-04 astro-ph.EP
Anatomy of rocky planets formed by rapid pebble accretion III. Partitioning of volatiles between planetary core, mantle, and atmosphere
含有氢、碳和氮的挥发性分子是行星大气的关键组成部分。在岩石行星形成的卵石吸积模型中,这些挥发性物质在行星形成的主要阶段被吸积。在这项研究中,我们模拟了一个成长中的行星内挥发物的分配和表面的放气。对于金属和硅酸盐熔体之间的H和C分配系数的实际值,地核储存了地球90%以上的氢和碳预算。地球和金星的岩浆海洋足够深,可以将亚铁$^{2+}$氧化成铁Fe $^{3+}$。这种氧化态的增加导致了地球岩浆海洋中主要是CO $_2$和H $_2$ O的脱气。相比之下,火星地幔的氧化态仍然很低,主要的释氢载体是H $_2$。由于年轻的太阳以XUV波长照射,这些氢很容易逃离大气层,并将大气层中大部分的CO、CO $_2$、H $_2$ O和N $_2$带走。火星上有少量的地表水,与提议的古代海洋海岸线一致,地幔氧化值适度较低。由于氮在岩浆中的溶解度极低,因此氮在地核和大气之间的分配相对均匀;因此,在地核中埋藏大量的氮是不可能的。地球的整体低N含量不同意高丰度的N在所有球粒陨石类,有利于卵石雪的挥发性交付。我们的卵石吸积快速形成岩石行星的模型显示出与太阳类地行星挥发性成分的广泛一致性。因此,类地行星的多样性可以作为基准案例来校准太阳系外岩石行星及其大气模型。
2023-01-26 astro-ph.EP
Hot Earth or Young Venus? A nearby transiting rocky planet mystery
本研究通过建模分析宜居带内边缘的凌星超级地球LP 890-9c的大气与透射光谱,发现其不同环境演化情景的光谱差异显著,为揭示炎热类地行星演化及地球长期未来提供关键见解。
2022-11-28 astro-ph.EP astro-ph.IM
Loss and fractionation of noble gas isotopes and moderately volatile elements from planetary embryos and early Venus, Earth and Mars
在这里,我们讨论了目前的知识状态,如何大气逃逸过程可以fracketnoble惰性气体同位素和中等挥发性的岩石形成元素,填充原始大气,岩浆海洋相关的环境,和灾难性的脱气蒸汽大气。不同行星储存库中的同位素和挥发性元素的变化保持了有关大气逃逸,成分甚至吸积物质来源的信息。我们总结了我们的知识,大气同位素比,并讨论了最新的证据,原金星和地球捕获小H $_2$为主的原始大气,失去了EUV驱动的流体动力学逃逸后,磁盘分散。所有相关的热和非热大气逃逸过程,可以压裂各种同位素和挥发性元素进行了讨论。还讨论了大型行星撞击物对早期大气、地壳和地幔的侵蚀。此外,我们还讨论了中等挥发性的元素,如放射性产热元素$^{40}$ K和其他岩石形成元素,如镁,也可以从岩浆海洋,起源于大的行星胚胎和吸积行星的脱气和损失。脱气元素从质量为$\geq$ \,M $_{\rm Moon}$的行星胚胎中逃逸,或者由于逃逸的H原子的流体动力学阻力,这些H原子来自更大质量的胚胎中的原始或蒸汽大气。我们讨论了这些过程如何影响最终的元素组成和比例,如K/U,Fe/Mg的早期行星和它们的积木。最后,我们审查的建模工作,限制金星,地球和火星的早期演变,通过复制他们的测量今天的大气$^{36}$ Ar/ $^{38}$ Ar,$^{20}$ Ne/ $^{22}$ Ne稀有气体同位素比和同位素的作用,对水的损失及其连接到早期火星的氧化…
2020-11-02 astro-ph.EP
The Cosmic Shoreline Revisited: A Metric for Atmospheric Retention Informed by Hydrodynamic Escape
本文利用流体动力学逃逸模型重新审视宇宙海岸线,提出新度量并发现初始挥发物储量及恒星演化不确定性使海岸线模糊,高质量行星更易保持大气。
2025-10-15 astro-ph.EP
Additional JWST/NIRSpec Transits of the Rocky M Dwarf Exoplanet GJ 1132 b Reveal a Featureless Spectrum
本研究结合JWST NIRSpec的G395H和G395M凌星数据,发现岩石质系外行星GJ 1132 b的透射光谱无特征,结合发射数据,最简单的解释是该行星是裸露岩石。
2025-08-14 astro-ph.EP
A Data Science Approach to Study the Water Storage Capacity in Rocky Planet Mantles: Earth, Mars, and Exoplanets
本文运用统计学习等数据科学方法,结合地球和火星案例及系外行星观测数据,研究岩石行星地幔储水能力建模,并探讨了数据科学在矿物物理研究中的应用与局限。
2023-04-07 astro-ph.EP physics.geo-ph
Diversity of low-mass planet atmospheres in the C-H-O-N-S-Cl system with interior dissolution, nonideality, and condensation: Application to TRAPPIST-1e and sub-Neptunes
ETH Zurich(苏黎世联邦理工学院);KU Leuven(荷语鲁汶大学);Ludwig Maximilian University(慕尼黑大学)
研究通过Atmodeller模型分析低质量行星大气多样性,揭示岩浆洋阶段CO主导大气及高温下C/H比增加的特征,为TRAPPIST-1e和类海王星行星大气演化提供新见解。
2025-11-25 astro-ph.EP
Role of magma oceans in controlling carbon and oxygen of sub-Neptune atmospheres
本研究通过大气-岩浆化学平衡模型,探讨亚海王星大气中H、O、C对行星参数的依赖性,发现类地氧化还原状态下熔融岩石内部的大气H₂O比例稳定,还揭示了氧化大气中O/H-C/O的负相关趋势,强调了高压物质性质约束的重要性。
2024-08-30 astro-ph.EP
On the Role of Dissolved Gases in the Atmosphere Retention of Low-Mass Low-Density Planets
开普勒在超地球质量体系中发现的低质量低密度行星通常具有大半径的推断质量,这意味着H $_2$ -He大气的存在。由于母恒星的XUV通量加热,这些行星容易受到大气质量损失的影响。将大气质量损失与热演化相结合的模型预测了行星半径的双峰分布,这已经得到了观测的支持。然而,在以前的研究中被忽视的一个关键组成部分是这些气体溶解到构成其大部分质量的岩石和铁的熔融核心中。这类行星在核心-包层边界处具有高温($>$ 2000 K)和高压($\sim$ kbars),确保了熔融的表面和地下氢库,其氢库可能比大气大5-10倍。这项研究通过将行星的热演化和大气的质量损失与溶解的H $_2$和大气H $_2$(亨利定律)之间的热力学平衡相结合来弥合这一差距。在行星形成阶段,内部的溶解使行星能够建立一个更大的氢储存库。我们表明,溶解氢排气缓冲大气质量损失。行星的缓慢冷却也会导致脱气,因为溶解度会随着温度的降低而降低。因此,氢在内部的溶解增加了超级地球的大气保持能力。这项研究强调了包括岩浆海洋中气体的温度和压力依赖性溶解度以及行星演化模型耦合放气的重要性。
2018-02-12 astro-ph.EP
The distribution of volatile elements during rocky planet formation
本文综述了岩石行星形成过程中H、C、N、S在核分凝和大气形成中的分配行为,重点总结金属-硅酸盐分配和岩浆-气体溶解度实验研究结果,揭示氧化与还原条件下挥发性元素在核、地幔、岩浆海和大气之间的不同分布规律。
2023-11-30 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
How Thermal Evolution and Mass Loss Sculpt Populations of Super-Earths and Sub-Neptunes: Application to the Kepler-11 System and Beyond
我们使用热演化和XUV驱动的质量损失模型来探索低质量低密度凌日行星的组成和历史。我们详细研究了开普勒-11系统,并对当前和过去的行星组成进行了估计。我们发现Kepler-11b上的H/He大气非常容易受到质量损失的影响。通过比较形成模型,我们表明,在原位形成的系统是不可能的。相反,我们认为这是一个富含水的亚海王星系统,从雪线以外迁移而来。对于更广泛的人口观察到的行星,我们表明,有一个阈值,在散装行星密度和入射通量以上,没有低质量过境行星已被观察到。我们认为,这个阈值是由于H/He大气的不稳定性,XUV驱动的质量损失。重要的是,我们发现,这个通量密度阈值很好地再现了我们的热演化/收缩模型,其中包括一个标准的质量损失处方。处理行星的收缩历史是必不可少的,因为行星在高XUV通量的早期具有明显更大的半径。随着时间的推移,具有H/He包层的低质量行星可以转变为具有蒸汽大气层或岩石超级地球的水主导世界。最后,我们使用这个阈值提供可能的最小质量和径向速度振幅的开普勒候选人的一般人口。同样,我们使用这个阈值来限制径向速度调查发现的低质量行星的最大半径。
2012-10-22 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
Water Condensation Zones around Main Sequence Stars
本研究使用三维通用行星气候模型模拟岩质行星早期海洋形成,发现海洋凝结所需辐射远低于蒸发,并引入水凝结极限,指出其低于宜居带内边缘,同时表明JWST可探测蒸汽大气及夜侧水云。
2023-08-29 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Possible Evidence for the Presence of Volatiles on the Warm Super-Earth TOI-270 b
本研究通过分析JWST透射光谱发现温暖超级地球TOI-270 b的密度低于类地成分,可能存在百分比级水质量分数及富水蒸汽大气,并证实其能在Gyr时间尺度上维持大气。
2025-09-17 astro-ph.EP astro-ph.SR