借助 LCLS X 射线激光,最新实验表明:海王星和天王星内部存在钻石雨

借助 LCLS X 射线激光,最新实验表明:海王星和天王星内部存在钻石雨
2020年07月03日 09:53 IT之家

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原标题:借助 LCLS X 射线激光,最新实验表明:海王星和天王星内部存在钻石雨 来源:新浪科技

北京时间 7 月 3 日消息,据国外媒体报道,在海王星和天王星的太空深处,可能正在下着钻石雨。目前,科学家已经提出最新实验证据,证实钻石雨是如何实现的

有一种假说认为,海王星和天王星表面之下数千公里处的高温和高压环境会使碳氢化合物分裂,碳将压缩为钻石,并向行星内核更深处下沉。

最新实验使用美国斯坦福国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)X 射线激光,对这种 “钻石雨”过程如何发生进行精确测量,并发现碳会直接转变成水晶钻石。

等离子体物理学家迈克 · 邓恩解释称,这项研究提供了关于一种非常难以模拟计算的数据:两种元素 “溶混性”或者它们在混合时如何结合,我们观察到了两种成分是如何分离的,就像沙拉酱再次分离为油和醋一样。

海王星和天王星是太阳系中最不为人知的行星,它们的距离非常遥远,令人望而却步,迄今只有太空探测器 “旅行者 2 号”曾接近它们,而且仅是短暂时间飞越,不是执行长期任务。

事实上,类似海王星和天王星这样的冰巨星在银河系中非常普遍,依据美国宇航局观测数据,银河系内此类冰巨星比类木星多 10 倍。

因此,理解太阳系的冰巨星对于分析行星在星系中如何进化演变至关重要,为了更好地理解它们,我们需要知道在宁静的蓝色外壳之下究竟发生了什么。

我们知道海王星和天王星的大气主要是由氢和氦组成,还有少量甲烷,在这些大气层之下,一种由水、甲烷和氨等 “冰物质”构成的超热、超密度流体包裹在行星内核周围。

几十年前的计算实验表明,在足够的压力温度条件下,甲烷可以分解成钻石,这表明在这种高温、致密物质中可以形成钻石。

之前德国物理学家多米尼克 · 克劳斯在美国斯坦福直线加速器中心进行实验,使用 X 射线衍射证实该实验结论。目前,克劳斯和同事将他们的研究向前推进了一步。

克劳斯说:“我们现在拥有一个基于 X 射线衍射的非常有前景的新方法,我们的实验提供了重要模型参数,在此之前的实验中存在诸多不确定性,随着近年我们发现的系外行星越来越多,这一点就变得不重要了。”

在实验室复制巨行星内部结构是一项挑战,研究人员需要一些精密设备,例如:直线加速器相干光源,同时,还需要一种物质来复制巨行星内部,为此,研究小组使用碳氢聚苯乙烯(C8H8)代替甲烷(CH4)。

实验第一步是对材料进行加热加压,从而复制海王星地下 1 万公里处的内部环境:光学激光脉冲在碳氢聚苯乙烯中产生冲击波,使材料加热至大约 4727 摄氏度,从而形成强大压力。

克劳斯说:“我们在实验室制造了 15 万兆帕的压力,这相当于将 250 头非洲大象的重量放置在拇指甲上产生的压力。”

在之前的实验中,我们使用 X 射线衍射来探测材料,这对晶体结构的材料非常有效,但对非晶体分子就不那么有效,所以形成的图像并不完整。目前,在最新实验中,研究小组使用了另一种方法,能够测量 X 射线是如何散射聚苯乙烯中的电子。

这不仅能让他们观察到碳转化为钻石的过程,还能观察到样本的其他部分发生了什么——它分裂成氢,几乎没有剩余的碳。

克劳斯说:“目前在冰巨星的实例中,我们知道碳在分离时几乎完全形成了钻石,而且没有流体过渡的形式。”

这是非常重要的,因为海王星存在一些非常奇特的现象,它的内部温度远高于应有温度,事实上它释放的能量是吸收太阳能量的 2.6 倍。

如果是钻石,它将比周围的物质密度更大,这些钻石以微粒形式像雨点一样降落至行星内部,它们可能释放重力能量,将其转化为钻石和周边物质摩擦产生的热量。

这项实验表明,我们不需要另一种解释,至少现在还不需要,同时,该研究证实一种可以 “探测”太阳系其他行星内部结构的方法。

克劳斯说:“这项技术帮助我们完成有趣的实验过程,否则我们很难发现巨行星的内部结构机制。例如:我们能够洞察木星、土星这样气态巨行星内部的氢和氦,它们如何在极端条件下混合和分离。这是研究行星和行星系进化史的一种新方法,同时也为未来研究聚变产生能量提供实验依据。”目前,这项最新研究报告发表在近期出版的《自然通讯》杂志上。

海王星
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