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系外行星内部结构是什么样?极端压强实验揭开答案

2019-5-13 9:14:49来源:新浪科技作者:晨风责编:懒猫/实习评论:

北京时间5月13日消息,据美国太空网报道,在一些星球的核心,晶体正在形成。这里的环境压强是地球海平面大气压强的4000万倍以上,比地球核心的压强也要高出10倍以上。科学家们想要弄清,在这样的极端环境下,物质会如何发生改变?找到这个问题的答案,将有助于我们搜寻隐藏在银河系中的宇宙生命现象。

目前,科学家们对于这些极端环境下的晶体几乎一无所知。他们不知道这些晶体如何以及何时形成,它们的外观如何,具有什么样的性质。但这些问题的答案对于了解那些外星世界的地表情况将具有重要意义——那里究竟是被流动的岩浆覆盖,还是白雪皑皑,亦或是沐浴在来自近邻恒星剧烈的辐射海洋之中?而所有这些问题的答案,又必然会反过来影响到这些行星表面环境的宜居性。

▲系外行星就是指太阳系之外,围绕其他恒星运行的行星体。我们对于这些遥远世界几乎一无所知,对它们的内部结构则更加陌生

太阳系外行星的内部对于人类而言,仍然是一个谜团,因为在太阳系中基本上只有两大类的行星样本:要么就是体型很小,由岩石组成的类地行星,比如水星,金星,地球和火星;要么就是主要由气体组成的巨型行星,比如土星和木星。但在近些年,科学家们在太阳系之外其他恒星的周围发现了很不一样的行星,比如所谓的“超级地球”——同样岩石质地,但却很大;还有“迷你海王星”——同样由气体构成,但是却小得多;而且这两类行星的数量似乎普遍存在,因而并非异类。

但是由于这些行星都沉浸在它们的“太阳”的光辉之中,观测难以进行,因此我们目前对这些系外行星的了解仍然非常有限。它们的地表是什么样的?组成的物质成分具体是什么?它们拥有磁场吗?这些问题的答案,很大程度上取决于在其核心,处于极端高压环境下的岩石和金属将具有什么样的性质和行为。

当代科学的极限

正如多伦多大学行星科学家戴安娜·瓦伦西亚(Diana Valencia)所指出的那样:目前,我们关于系外行星的了解基本还是基于我们对太阳系内行星的了解,随后推而广之。她在今年3月份召开的美国物理学会(APS)会议上呼吁矿物研究领域的科学家们积极尝试探索这些奇异行星核心物质的行为和性质问题。

“推而广之”的办法不错,但也存在严重的问题。比如说,在一个压强比地球核心还要超出10倍的极端环境下,金属将具有什么样的性质?这不是将地球核心的情况放大十倍就能够得到结论的。在如此极端的压强环境下,物质的化学性质将出现彻底的变化。

加州大学洛杉矶分校理论矿物物理学家拉尔斯·斯蒂克斯鲁德(Lars Stixrude)表示:“因此,我们预期会在一颗超级地球的核心找到地球上,乃至自然界任何地方都不存在的特殊晶体。这些物质内部的原子排列将呈现只有在极端高压环境下才有可能出现的排列模式。”

之所以会产生这样的特殊结构,是因为在极端压强环境下,原子之间的连接方式被彻底改变。在地球表面,甚至在较深的地下环境中,原子之间仅仅是依靠外层电子之间的相互作用联系在一起。但在超级地球核心的超强压强环境下,更加内圈的电子将参与进来,并彻底改变这些物质原本的化学反应性质。

而这种化学性质的改变将对整个行星的行为产生影响。比如说,科学家们知道超级地球将蓄积很多的热量。但他们无法确定究竟这个量有多少,而这个问题的答案对于估算相关星球上的板块运动和火山爆发的活跃程度却具有重要参考意义。在地球核心的压强程度下,一些较轻的元素与铁质内核相互熔合,从而对行星的磁场性质产生影响,但在更高的压强条件下,这样的情况还会发生吗?不知道。甚至超级地球的大小本身,可能也取决于组成其内核的物质的晶体结构性质。

然而,由于太阳系内部缺乏类似的行星体可以作为近距离详细研究的样本,科学家们不得不转而投入基本的物理学和数学计算,以及实验室模拟工作,来尝试回答这类假设性问题。但这样的计算常常会得到一个开放式的答案,让人没有头绪。

那么实验呢?

很遗憾,正如斯蒂克斯鲁德所说的那样:“这里所要求的压强和温度环境条件都超出了当前实验室技术和实验操作的能力极限之外。”

在地球上创造一个“超级地球”

在地球上,科学家们创造最极端压强环境的做法常常是使用两个由工业钻石制成的尖锥,并使用锻压机之类的设备将两者顶到一起。但要想达到“超级地球”核心所要求的那种压强,把这两颗钻石压碎都做不到。物理学家们必须另寻他法。他们所找到的这种方法叫做“动态压缩试验”(dynamic-compression experiments),就像普林斯顿大学矿物物理学家汤姆·杜菲(Tom Duffy)研究组所做的那样。这种方法可以产生更接近于“超级地球”内部的压强环境。但这样做持续的时间只能坚持一瞬间,远不到一秒钟。

杜菲表示:“这里的想法是这样的:你使用一束超强激光去照射一个样本,这将导致样本表面被急剧加热并产生等离子体。受到急剧加热的样本会突然升温,小块样本会崩裂离开表面,并在样本内部产生一道压力波,这种效应就像是火箭向前飞行,尾气向后喷射一样。”

这里所用的样本非常非常微小,一块平整的,面积仅有大约一平方毫米的小块。而以上描述的整个加热崩裂过程只持续不超过1纳秒(1亿分之一秒)。当压力波抵达样本背面,整个样本都会瞬间破碎。但通过对整个过程的严密观察,杜菲和同事们能够得到在远超当前实验水平的超强压强环境下铁以及其他分子的密度等各种信息。

还有许许多多的问题尚需解答,但在这一领域知识的更新速度很快。比如说,2007年2月份发表在《天体物理学杂志》上的第一篇关于超级地球内部结构的论文现在已经被认为是过时的了,因为科学家们后来获得了地球内部有关化学元素的更新数据。

但是,回答这些问题非常重要,因为它们可以告诉我们在那些遥远的世界中是否可能存在类似板块运动,岩浆以及磁场,当然还有,那里是否具备适宜生命生存的环境。

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关键词:系外行星

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