地球有金属核，火星和金星有金属核，水星的金属核甚至占据了行星内部很大一部分。因此，我们很容易形成一种直觉：岩石行星似乎天然就应该拥有金属核。金属核不仅决定着行星内部最基本的结构和组成，还会深刻影响行星内部质量如何分布、热量如何传递、是否能够产生全球磁场，以及核幔之间如何进行长期的物质与能量交换。
过去三十年，人类已经发现了数千颗系外行星。与太阳系相比，这些行星在质量、半径、温度和大气性质上展现出更加丰富的多样性，其中还包括超级地球、亚海王星等太阳系中并不存在的典型行星类型。它们为我们重新思考一个看似理所当然的问题提供了新的窗口：行星内部结构是否一定要像地球一样，由金属核和硅酸盐地幔组成？
传统理论认为，在行星形成早期的岩浆洋阶段，液态金属铁与硅酸盐熔体彼此不混溶，密度更大的金属逐渐下沉到中心，形成地核；较轻的硅酸盐则形成地幔。对于地球而言，这也是经典的核幔分异图景（图1）。但一个更基础的问题是：一颗岩石行星，最终一定会形成金属核吗？
南京大学罗海洋副教授与合作者的最新研究表明，答案可能并不是“是”。这项题为 “Coreless exoplanets induced by metal–silicate miscibility”的研究发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。研究团队通过大尺度机器学习分子动力学模拟发现，在足够高的压力和温度下，原本彼此分离的金属液体与硅酸盐熔体可以发生完全混溶，形成单一、均匀的液体。此时，铁就不再能够作为独立金属相析出并下沉形成地核。
图1: 核幔分异行星和无核行星示意图
当“金属”和“岩石”不再分开
研究团队利用机器学习势函数，对行星内部极端温压条件下数万个原子的运动进行了直接模拟。主要模拟体系包含34,816个原子，覆盖约50–1500 GPa、3500–15000 K的巨大温压范围，并通过更大体系检验了尺寸效应。模拟结果非常直观。以500 GPa为例，在较低温度下，可以清楚区分富铁金属区域和硅酸盐区域；随着温度升高，两者逐渐混合；到更高温度时，金属和硅酸盐最终形成均一液体（图2）。研究估算，500 GPa下的完全混溶温度约为9875 ± 375 K。
图2: 500 GPa条件下不同温度的金属–硅酸盐两相共存模拟
进一步结合不同压力下的结果，研究团队获得了一条金属—硅酸盐混溶闭合曲线：曲线以下，金属和硅酸盐倾向于分离；曲线以上，两者可以完全混溶（图3）。这意味着，行星是否形成金属核，并不只取决于“有没有铁”，还取决于压力、温度和组成是否允许金属与硅酸盐保持分离。
图3: 金属与硅酸盐的混溶曲线
那么，地球为什么有核？
研究结果与地球的经典核形成图景是一致的。在典型地球核形成压力附近，金属—硅酸盐完全混溶所需的温度高于经典地球核形成温度，因此早期地球仍处在两相区，液态铁能够从硅酸盐中分离并下沉，最终形成地核。但如果一颗年轻行星经历极端加热，例如巨大撞击，其内部温度短时间超过混溶边界，那么它可能暂时进入高度混合、甚至没有明显金属核的状态。随着行星继续冷却，金属—硅酸盐重新变得不混溶，铁再逐渐析出并向中心沉降，形成一个“延迟出现”的金属核。
有些行星，可能长期没有独立金属核
这种情况在质量更大、内部更热的行星中可能更加重要。研究表明，对于一颗12倍地球质量的行星，当地幔势温达到约3200 K时，深部就可能开始出现部分混溶；如果势温超过约5680 K，整个岩石内部都有可能进入完全混合状态，从而形成没有独立金属核的内部结构。厚重大气还可能像“保温被”一样延缓行星冷却，因此一些高温、大质量、拥有厚大气的行星，更容易长期维持部分甚至完全混合的内部。
看起来一样，内部却可能完全不同
更有意思的是，有核和无核行星从外部看可能非常相似。研究发现，如果两颗行星具有相同整体组成，一颗拥有传统的“金属核+硅酸盐地幔”结构，另一颗内部完全混合，那么它们的质量—半径关系几乎难以区分。仅靠质量和半径，很难判断一颗行星内部是否真的存在金属核。但它们的内部质量分布、中心压力和潮汐响应却可以明显不同（图4）。论文指出，无核行星的中心压缩程度更低，并具有更大的流体勒夫数，这为未来通过潮汐观测探测行星内部结构提供了潜在途径。
图4:（左）核幔分异模型与无核模型的质量–半径关系对比
（右）核幔分异模型与无核模型在不同地幔势温下，12倍地球质量行星内部的压力分布剖面
从“为什么没有核”，到“什么时候才会形成核”
过去，我们往往默认“金属核+硅酸盐地幔”是岩石行星的标准结构。这项研究提供了另一种可能：在足够高的压力和温度下，金属铁并不一定要形成独立金属核，它可以与硅酸盐在原子尺度上混合。因此，更值得追问的问题或许不是：“为什么有些行星没有金属核？”而是：“在什么温度、压力和化学条件下，一颗行星才会真正形成金属核？”
这个问题不仅帮助我们理解遥远的系外行星，也反过来促使我们重新思考地球自身：为什么地球形成了今天这样的地核？地核是在什么时候形成的？早期巨大撞击是否曾让地球短暂进入高度混合状态？
从地球到系外行星，行星内部结构可能比我们过去想象的更加多样。
南京大学罗海洋副教授为论文的共同第一和共同通讯作者，普林斯顿大学邓杰助理教授和博士生郑栋昊分别为论文的共同通讯作者和共同第一作者，合作者包括苏黎世联邦理工学院Caroline Dorn助理教授。
论文信息：Haiyang Luo, Donghao Zheng, Caroline Dorn, Jie Deng. 2026. “Coreless exoplanets induced by metal–silicate miscibility.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 123 (34) e2615884123. doi: 10.1073/pnas.2615884123
图文：罗海洋
审核：曾罡
