科學也可以如此靠近

如何探索隱藏在超級地球內部的極端晶體?

4月
14
2019

2019年4月14日22時 今日科學 博科園

博科園

在系外行星超級地球中心深處,晶體在比地球核心壓力大10倍壓力下形成,更好地理解它們可以幫助我們在銀河系的其他地方尋找生命。目前,科學家對這些神秘的晶體幾乎一無所知,不知道是如何形成的,什麼時候形成的,它們長什麼樣,它們的行為會是怎樣?但這些問題的答案可能對這些星球的表面有著巨大影響——不管它們是被流動的岩漿或冰覆蓋,還是被它們的主星的輻射轟擊。反過來,這個答案可能會影響到這些行星孕育生命的可能性。

博科園:這些系外行星內部對我們來說是神秘,因為在太陽系中,行星要麼是小而多岩石的,比如地球和火星,要麼是大而多氣體的,比如土星和木星。但近年來,天文學家們發現,所謂的「超級地球」(巨型岩石行星)和「迷你海王星」(比太陽系中存在的氣體行星還要小)在我們星系的其他地方更為常見。因為這些行星只能被它們主恆星發出的微弱光線所看到,所以關於它們的許多事情仍然很神秘。如表面是由什麼構成?它們有磁場嗎?事實證明,這些問題的答案在很大程度上取決於超壓核心中的岩石和鐵的行為。

當代科學的局限

加拿大多倫多大學(University of Toronto)行星科學家黛安娜·瓦倫西亞(Diana Valencia)在美國物理學會(American Physical Society, APS)

會議上呼籲礦物物理學家探索這些奇異的系外行星材料。這種按比例放大方法的問題是,你不能僅僅通過成倍增加來真正理解鐵在10倍地核壓力下的行為。在這些巨大的壓力下,化學物質的性質發生了根本性的變化。加州大學洛杉磯分校的理論礦物物理學家Lars Stixrude說:我們希望在超級地球內部發現不存在於地球或自然界其他任何地方的晶體。

這將是只有在非常高的壓力下才存在原子的獨特排列。這些不同的排列發生了,因為巨大的壓力從根本上改變了原子結合的方式。在地球表面,甚至在地球內部深處,原子之間的連接僅僅依靠外層電子。但在超地球壓力下,離原子核更近的電子參與其中,完全改變了材料的形狀和性質。這些化學性質可以影響整個行星的行為。例如,科學家們知道超級地球會捕獲大量的熱量。但他們不知道這個數字是多少,而這個問題的答案對這些行星的火山和板塊構造的理解有重大意義。

在地球內部的壓力下,較輕元素與鐵芯混合在一起,影響地球的磁場——但在較高的壓力下可能不會發生這種情況。甚至超級地球的物理尺寸也取決於其核心化合物的晶體結構。但是,沒有這類行星來近距離研究我們自己的太陽系,科學家們不得不求助於基本的物理計算和實驗來回答這類問題。但這些計算往往會得出開放式的答案,這些壓力和溫度超出了我們今天大多數技術和實驗的能力。

在地球上模擬超級地球

在地球上,最極端的壓力實驗包括粉碎兩顆工業鑽石尖端之間的微小樣品。但是這些鑽石在達到超地球壓力之前很長時間就會破碎,為了克服鑽石的局限性,物理學家們正在轉向動態壓縮實驗,這類實驗由普林斯頓大學的礦物物理學家湯姆達菲(Tom

Duffy)和團隊完成。這些實驗產生了更多的超類地壓力,但只持續了不到一秒鐘。Duffy,瓦倫西亞發言的APS會議的主席說:這個想法是,用一個非常高功率的雷射照射一個樣品,然後快速加熱樣品表面,然後吹掉一個等離子體。樣品的碎片突然加熱,衝出表面,產生了穿過樣品的壓力波,這就像火箭飛船效應。

這些樣本很小,幾乎是扁平的,表面積只有一毫米平方。整個過程持續幾納秒。當壓力波到達樣品背面時,整個東西就會破碎。但是通過對這些短暫脈衝的仔細觀察,達菲和同事們已經算出了鐵和其他分子在前所未有的壓力下的密度,甚至化學結構。目前仍有許多懸而未決的問題,但該領域的知識狀況正在迅速改變。例如,關於超級地球結構的第一篇論文已經過時了,因為物理學家已經獲得了有關地球內部化學物質的新信息。回答這些問題很重要,因為它們能告訴我們遙遠外星世界是否具有板塊構造、流動岩漿和磁場等特徵,它們是否能支持生命存在。

博科園-科學科普|文: Elizabeth Howell/Live Science/美國物理學會(American Physical Society, APS) 會議

博科園-傳遞宇宙科學之美


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