在地球上創(chuàng)造一個“超級地球”：極端壓強只能一瞬間

來源：新浪科技 發(fā)布時間：2019-06-05瀏覽：2970次

在地球上創(chuàng)造一個“超級地球”：極端壓強只能一瞬間

　　新浪科技訊 北京時間6月5日消息，據(jù)美國太空網(wǎng)報道，在一些星球的核心，晶體正在形成。這里的環(huán)境壓強是地球海平面大氣壓強的4000萬倍以上，比地球核心的壓強也 要高出10倍以上?？茖W(xué)家們想要弄清，在這樣的極端環(huán)境下，物質(zhì)會如何發(fā)生改變？找到這個問題的答案，將有助于我們搜尋隱藏在銀河系中的宇宙生命現(xiàn)象。

　　目前，科學(xué)家們對于這些極端環(huán)境下的晶體幾乎一無所知。他們不知道這些晶體如何以及何時形成，它們的外觀如何，具有什么樣的性質(zhì)。但這些問題的 答案對于了解那些外星世界的地表情況將具有重要意義——那里究竟是被流動的巖漿覆蓋，還是白雪皚皚，亦或是沐浴在來自近鄰恒星劇烈的輻射海洋之中？而所有 這些問題的答案，又必然會反過來影響到這些行星表面環(huán)境的宜居性。

　　太陽系外行星的內(nèi)部對于人類而言，仍然是一個謎團，因為在太陽系中基本上只有兩大類的行星樣本：要么就是體型很小，由巖石組成的類地行星，比如 水星，金星，地球和火星；要么就是主要由氣體組成的巨型行星，比如土星和木星。但在近些年，科學(xué)家們在太陽系之外其他恒星的周圍發(fā)現(xiàn)了很不一樣的行星，比 如所謂的“超級地球”——同樣巖石質(zhì)地，但卻很大；還有“迷你海王星”——同樣由氣體構(gòu)成，但是卻小得多；而且這兩類行星的數(shù)量似乎普遍存在，因而并非異 類。

　　但是由于這些行星都沉浸在它們的“太陽”的光輝之中，觀測難以進行，因此我們目前對這些系外行星的了解仍然非常有限。它們的地表是什么樣的？組 成的物質(zhì)成分具體是什么？它們擁有磁場嗎？這些問題的答案，很大程度上取決于在其核心，處于極端高壓環(huán)境下的巖石和金屬將具有什么樣的性質(zhì)和行為。

　　當(dāng)代科學(xué)的極限

　　正如多倫多大學(xué)行星科學(xué)家戴安娜·瓦倫西亞（Diana Valencia）所指出的那樣：目前，我們關(guān)于系外行星的了解基本還是基于我們對太陽系內(nèi)行星的了解，隨后推而廣之。她在今年3月份召開的美國物理學(xué)會 （APS）會議上呼吁礦物研究領(lǐng)域的科學(xué)家們積極嘗試探索這些奇異行星核心物質(zhì)的行為和性質(zhì)問題。

　　“推而廣之”的辦法不錯，但也存在嚴(yán)重的問題。比如說，在一個壓強比地球核心還要超出10倍的極端環(huán)境下，金屬將具有什么樣的性質(zhì)？這不是將地球核心的情況放大十倍就能夠得到結(jié)論的。在如此極端的壓強環(huán)境下，物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)將出現(xiàn)徹底的變化。

　　加州大學(xué)洛杉磯分校理論礦物物理學(xué)家拉爾斯·斯蒂克斯魯?shù)拢↙ars Stixrude）表示：“因此，我們預(yù)期會在一顆超級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體。這些物質(zhì)內(nèi)部的原子排列將呈現(xiàn)只有在極端高壓環(huán)境下才有可能出現(xiàn)的排列模式?！?/p>

　　之所以會產(chǎn)生這樣的特殊結(jié)構(gòu)，是因為在極端壓強環(huán)境下，原子之間的連接方式被徹底改變。在地球表面，甚至在較深的地下環(huán)境中，原子之間僅僅是依 靠外層電子之間的相互作用聯(lián)系在一起。但在超級地球核心的超強壓強環(huán)境下，更加內(nèi)圈的電子將參與進來，并徹底改變這些物質(zhì)原本的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)。

　　而這種化學(xué)性質(zhì)的改變將對整個行星的行為產(chǎn)生影響。比如說，科學(xué)家們知道超級地球?qū)⑿罘e很多的熱量。但他們無法確定究竟這個量有多少，而這個問 題的答案對于估算相關(guān)星球上的板塊運動和火山爆發(fā)的活躍程度卻具有重要參考意義。在地球核心的壓強程度下，一些較輕的元素與鐵質(zhì)內(nèi)核相互熔合，從而對行星 的磁場性質(zhì)產(chǎn)生影響，但在更高的壓強條件下，這樣的情況還會發(fā)生嗎？不知道。甚至超級地球的大小本身，可能也取決于組成其內(nèi)核的物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)。

　　然而，由于太陽系內(nèi)部缺乏類似的行星體可以作為近距離詳細(xì)研究的樣本，科學(xué)家們不得不轉(zhuǎn)而投入基本的物理學(xué)和數(shù)學(xué)計算，以及實驗室模擬工作，來嘗試回答這類假設(shè)性問題。但這樣的計算常常會得到一個開放式的答案，讓人沒有頭緒。

　　那么實驗?zāi)兀?/p>

　　很遺憾，正如斯蒂克斯魯?shù)滤f的那樣：“這里所要求的壓強和溫度環(huán)境條件都超出了當(dāng)前實驗室技術(shù)和實驗操作的能力極限之外?！?/p>

　　在地球上創(chuàng)造一個“超級地球”

　　在地球上，科學(xué)家們創(chuàng)造最極端壓強環(huán)境的做法常常是使用兩個由工業(yè)鉆石制成的尖錐，并使用鍛壓機之類的設(shè)備將兩者頂?shù)揭黄?。但要想達(dá)到“超級地 球”核心所要求的那種壓強，把這兩顆鉆石壓碎都做不到。物理學(xué)家們必須另尋他法。他們所找到的這種方法叫做“動態(tài)壓縮試驗”（dynamic- compression experiments），就像普林斯頓大學(xué)礦物物理學(xué)家湯姆·杜菲（Tom Duffy）研究組所做的那樣。這種方法可以產(chǎn)生更接近于“超級地球”內(nèi)部的壓強環(huán)境。但這樣做持續(xù)的時間只能堅持一瞬間，遠(yuǎn)不到一秒鐘。