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地球之上 「鍛造」行星


2018年5月17日06時 今日科學 科學網
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超級地球(如圖)是否擁有類似地球的地質條件?圖片來源:M. Kornmesser/Nick Risinger/ESO

費英偉(音譯)和同事已經花費了一個月仔細打造3個高密度圓形矽酸鹽薄片,每個薄片樣本厚度低於1毫米。今年11月初,到了說再見的時候了。費英偉仔細將樣本用塑料泡沫包裹好,還加了幾個備份,然後將其從華盛頓特區運往新墨西哥阿爾伯克基。在那裡,位於桑迪亞國家實驗室的Z脈衝功率設備很快將把2600萬安培的電流湧向這些薄片,將它們一個個擊為塵埃。

Z脈衝功率設備能夠複製引爆核武器的極端條件。但華盛頓特區卡耐基科學地球物理實驗室高壓實驗地質學家費英偉的頭腦里卻有著其他超凡脫俗的想法:他希望探索布氏岩(在地表深處發現的一種礦物質)在太陽系外更大岩石行星內部的更高溫度和高壓下如何運行。

這項實驗是對太陽系外地質學的一個小貢獻:將天學家、行星科學家和地質學家集合在一起探索系外行星地質「是什麼樣」的研究領域。對很多科學家來說,系外地質學是探索能夠支撐生命的世界的自然延伸。天文學家已經發現了成千上萬個系外行星,並收集了它們的一些重要資料,包括其質量和半徑。那些在宜居區或「金色」地帶(主恆星周圍的一個溫度適宜、讓水以液態形式存在的區域)運行的行星被認為尤其是生命友好的。

但這一領域卻面臨若干挑戰,例如地球地質學仍存在很多謎題,如地質構造活動是如何以及從什麼時候開始的。即便是關於地質活動的間接證據也可以為研究人員提供一個更加完整的關於那些遙遠行星世界的圖景,並了解哪些世界是搜尋生命跡象的最佳候選者。「它就像是你遇到了一個證據極少的犯罪現場。」麻省理工學院天體物理學家Sara

Seager說,「你試圖非常艱難地把少之又少的證據結合在一起,並設法將其在某種程度上拼接起來。」

超級地球

系外行星科學最令人著迷的目標之一就是超級地球。這些岩石行星——相當於地球質量的10倍以上——在太陽系內並沒有對等物。但它們據認為在星系間非常常見,因為它們中很多體積相當大,因此它們比地球大小的行星會更容易成為詳細觀察的目標。

對超級地球地質學的早期研究發表於約10年前,它們探究了這些行星如果是簡單的擴大化版本的地球會是什麼樣子。但在2004年發現的炙熱行星55 Cancri e卻表明,超級行星與這些想法完全不同。2011年的觀測表明,該行星的半徑約相當於地球的兩倍,質量略超過地球質量的8倍,但其平均密度僅比地球略高一點,這帶來了謎題。

如果55 Cancri e有著地球一樣的鐵核和矽酸鹽地幔,考慮到它的體積,其質量應該比這大得多。包裹在這個行星周圍的一片海洋可能會讓55 Cancri e的密度降低到類似地球的水平。但這個行星也過於炙熱,不可能讓水存在很長時間——該行星距離其主恆星非常近,白天溫度約達2500開爾文。

2012年,康乃狄克州紐哈芬耶魯大學天學家Nikku Madhusudhan和同事決定採用一種全新方法開展研究,終於有了一個解開謎題的方法。此前的研究表明,這個行星的宿主恆星擁有遠多於太陽的碳。該恆星與其行星是由同樣的旋轉的塵埃和氣體盤構成的,因此認為55 Cancri

e擁有豐富的碳也很合理。當Madhusudhan在其行星內部模型中加入這種碳之後,它形成了與該行星世界相匹配的質量和半徑。「這具有啟示性。」現在英國劍橋大學工作的Madhusudhan說。這樣的世界真正不可思議。Madhusudhan推測,其地殼可能被石墨烯主導;而在該行星內部,壓力可能把大量的元素變成了金剛石(鑽石)。「它與我們了解的太陽系的情況相比似乎非常極端。」他說。

行星構成

系外行星地質學家對這種不確定性表示歡迎,並在設法確定遙遠的世界如何形成和演化。為了從一系列起始元素到達地質學層面,科學家需要知道礦物是用什麼形成的、它們何時熔化及其密度如何隨著壓力和溫度而變化。那些數據可被用於模擬行星如何從一個無差別的熔融球變成一個多層次的結構,並隨著行星冷卻形成礦物質,然後沉澱或流動。

為了收集信息充實這些模型,地質學家正在把合成的岩石置於高溫和高壓環境中以複製系外行星的內部結構,正如費英偉和同事所做的那樣。同時,包括亞利桑那州立大學礦物質物理學家Sang-Heon Dan Shim和同事所在團隊也利用這一過程擠壓富含碳的樣本,這些樣本可能反映55 Cancri

e的構成。這些研究已經揭示了行星如何被可能傳導熱量的碳化物主導,以及它們與被矽酸鹽主導的類似地球的行星有何差異。

碳並非唯一的興趣點。亞利桑那州立大學系外行星地質學家Cayman

Unterborn指出,鎂、矽和鐵「三大元素」會影響一個行星的體相結構,它們會影響熱量如何在地幔中流動以及該行星核心的大小,此外還會影響行星地殼板塊的狀態和磁場。這些元素的比例隨著恆星的不同存在廣泛差異。太陽的每個矽元子都會有一個相對的鎂原子;對於其他恆星來說,這一比例在0.5到2之間。這種差異看起來可能很小,但如果行星中存在同樣的比例,它們可以顯著地影響其地質狀態。

大多數教科書認為,富含鎂的岩石的質地會比那些含有高度集中的矽的岩石更加柔軟,因此在富含鎂的行星世界走路會感覺像在泥濘中走路一樣。Shim的金剛石壓腔可對各種鎂—矽比例的岩石起作用,表明與這些星球與富含矽的行星相比,還可能擁有更深的岩漿庫,因此,將會擁有更具災難性的火山。但Shim指出,其他的參數如礦物中水的集中度也需要納入考量。

製造高壓

用兩塊金剛石,Shim僅能應用不超過400吉帕的壓力,這比地心的壓力略高一點。為了探索超級地球的內部,他轉向了世界上的最亮的X光雷射:加州門洛帕克市SLAC國家加速器實驗室的直線性連續加速器光源(LCLS)。該設備能夠在樣本內產生衝擊,形成600吉帕的高壓,足以模擬相當於兩倍地球質量的行星核心。

地質科學家還在用其他大型設施探索潛在的系外行星形成。Z設施可以達到1000吉帕,這種情況或許會出現在相當於3倍地球質量的行星內部。位於法國帕萊索、日本大阪和雷射設備也能達到類似的壓力範圍。這些實驗仍處於初期階段,研究人員正在為使用這些設施競爭時間,並逐漸積累各種基礎化合物的數據。

最終,系外行星地質學家希望找到正確的元素組合,以構建類地系外行星的地質狀況。「我希望能夠確定宜居的『金色』地帶的化學組成。」俄亥俄州立大學地質學家Wendy Panero說,「對於岩石構成來說,什麼才是既不軟也不硬的宜居帶呢?」

一些人期待,這項研究可以幫助太空人決定探尋生命時應該瞄準哪些行星。它或許還有助於從遙遠的地方發現地質活動。很明顯,行星55 Cancri e絕非適合生命的世界。但其他行星世界或許更加適合。今年早些時候,Unterborn和同事完成了一項分析類似太陽的1000多個恆星。根據這些恆星的構成,他判斷其中1/3的恆星可能擁有地殼密度很大以至於沉入地幔的行星。

一些研究人員正開始探索系外行星地質構成,Carlson指出,對於這些世界的研究已經產生了大量出人意料的成果,不僅有行星似乎在其軌道上發生顯著偏移的證據。這些發現使天文學家重新思考太陽系的演化,並推論認為類似的活動或使得水冰等物質被攜帶到地球上。「我認為人類的想像力距離自然的創造力還差得很遠。」Carlson說,「所以,了解現實存在的多樣性需要我們睜開雙眼,看清其他的可能性。正是其他的可能性會幫助我們更好地了解我們的處境。」(晉楠編譯)

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