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    ​如何探索隐藏在超级地球内部的极端晶体?

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      普朗克

      在系外行星超级地球中心深处,晶体在比地球核心压力大10倍压力下形成,更好地理解它们可以帮助我们在银河系的其他地方寻找生命。目前,科学家对这些神秘的晶体几乎一无所知,不知道是如何形成的,什么时候形成的,它们长什么样,它们的行为会是怎样?

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      但这些问题的答案可能对这些星球的表面有着巨大影响——不管它们是被流动的岩浆或冰覆盖,还是被它们的主星的辐射轰击。反过来,这个答案可能会影响到这些行星孕育生命的可能性。

      ​如何探索隐藏在超级地球内部的极端晶体?

      博科园:这些系外行星内部对我们来说是神秘,因为在太阳系中,行星要么是小而多岩石的,比如地球和火星,要么是大而多气体的,比如土星和木星。但近年来,天文学家们发现,所谓的“超级地球”(巨型岩石行星)和“迷你海王星”(比太阳系中存在的气体行星还要小)在我们星系的其他地方更为常见。因为这些行星只能被它们主恒星发出的微弱光线所看到,所以关于它们的许多事情仍然很神秘。如表面是由什么构成?它们有磁场吗?事实证明,这些问题的答案在很大程度上取决于超压核心中的岩石和铁的行为。

      当代科学的局限

      加拿大多伦多大学(University of Toronto)行星科学家戴安娜·瓦伦西亚(Diana Valencia)在美国物理学会(American Physical Society, APS) 会议上呼吁矿物物理学家探索这些奇异的系外行星材料。这种按比例放大方法的问题是,你不能仅仅通过成倍增加来真正理解铁在10倍地核压力下的行为。在这些巨大的压力下,化学物质的性质发生了根本性的变化。加州大学洛杉矶分校的理论矿物物理学家Lars Stixrude说:我们希望在超级地球内部发现不存在于地球或自然界其他任何地方的晶体。

      ​如何探索隐藏在超级地球内部的极端晶体?

      这将是只有在非常高的压力下才存在原子的独特排列。这些不同的排列发生了,因为巨大的压力从根本上改变了原子结合的方式。在地球表面,甚至在地球内部深处,原子之间的连接仅仅依靠外层电子。但在超地球压力下,离原子核更近的电子参与其中,完全改变了材料的形状和性质。这些化学性质可以影响整个行星的行为。例如,科学家们知道超级地球会捕获大量的热量。但他们不知道这个数字是多少,而这个问题的答案对这些行星的火山和板块构造的理解有重大意义。

      ​如何探索隐藏在超级地球内部的极端晶体?

      在地球内部的压力下,较轻元素与铁芯混合在一起,影响地球的磁场——但在较高的压力下可能不会发生这种情况。甚至超级地球的物理尺寸也取决于其核心化合物的晶体结构。但是,没有这类行星来近距离研究我们自己的太阳系,科学家们不得不求助于基本的物理计算和实验来回答这类问题。但这些计算往往会得出开放式的答案,这些压力和温度超出了我们今天大多数技术和实验的能力。

      在地球上模拟超级地球

      在地球上,最极端的压力实验包括粉碎两颗工业钻石尖端之间的微小样品。但是这些钻石在达到超地球压力之前很长时间就会破碎,为了克服钻石的局限性,物理学家们正在转向动态压缩实验,这类实验由普林斯顿大学的矿物物理学家汤姆达菲(Tom Duffy)和团队完成。这些实验产生了更多的超类地压力,但只持续了不到一秒钟。Duffy,瓦伦西亚发言的APS会议的主席说:这个想法是,用一个非常高功率的激光照射一个样品,然后快速加热样品表面,然后吹掉一个等离子体。样品的碎片突然加热,冲出表面,产生了穿过样品的压力波,这就像火箭飞船效应。

      ​如何探索隐藏在超级地球内部的极端晶体?

      这些样本很小,几乎是扁平的,表面积只有一毫米平方。整个过程持续几纳秒。当压力波到达样品背面时,整个东西就会破碎。但是通过对这些短暂脉冲的仔细观察,达菲和同事们已经算出了铁和其他分子在前所未有的压力下的密度,甚至化学结构。目前仍有许多悬而未决的问题,但该领域的知识状况正在迅速改变。例如,关于超级地球结构的第一篇论文已经过时了,因为物理学家已经获得了有关地球内部化学物质的新信息。回答这些问题很重要,因为它们能告诉我们遥远外星世界是否具有板块构造、流动岩浆和磁场等特征,它们是否能支持生命存在。

      ​如何探索隐藏在超级地球内部的极端晶体?

      博科园-科学科普|文: Elizabeth Howell/Live Science/美国物理学会(American Physical Society, APS) 会议

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