soh logo
科学家终于找出了海王星、天王星下钻石雨的原因所在
科学家终于找出了海王星、天王星下钻石雨的原因所在(示意图:pixabay)

【希望之声2020年7月3日】(编辑:郭晓)海王星天王星太阳系中气态巨行星,同时也是九大行星中距离太阳最遥远的两颗行星。天文学家在过去长期的研究中发现,海王星天王星上存在着超强高压,能轻易把碳原子压成钻石

现在在天王星海王星的核心深处,可能正下着钻石雨,天文学家借由新方法得到实证。这些冰巨行星表面下数千公里处,其高温及高压会使碳氢化合物键结断裂,其中的碳会被压缩成钻石,并向行星的更核心处前进。

天王星海王星太阳系中最不为人知的行星,人类历史中仅仅有一个太空船“旅行者二号”曾经接近过它们,而且也不是专职对两颗行星进行探测,只是短暂飞掠,非长期性专门任务。

这一类的“类海行星”在广阔的银河系中非常常见,依据美国太空总署的资料,“类海系外行星”比“类木系外行星”还要普遍10倍,因此,了解我们太阳系的冰巨行星对于全银河系的行星认识非常重要,而在其宁静的蓝色外表下究竟发生了什么,正是科学家急迫追求的答案。

新的实验中使用了SLAC国家加速器实验室的「线性粒子加速器相干光源」(Linac Coherent Light Source,以下简称LCLS)X射线雷射束,针对钻石雨的发生过程进行最精准的测量,并直击碳转变成钻石晶体的过程。

LCLS的负责人,同时也是等离子物理学家麦克·邓恩(Mike Dunne)表示,虽然海王星天王星上的碳元素不足,但是它们的碳氢化合物比较充足,可以利用分解碳氢化合物的方法来获得单一碳元素,碳元素在行星内部高温高压的环境下被压缩成钻石,并因为密度比周围的物质高而不断往下坠。

钻石
钻石(图片:pixabay)

几十年前的计算及实验就说明了,在足够的压力及温度下,甲烷可以分解成碳、氢,最终在压力下结晶成钻石,而在地球上要复制这个过程是非常大的挑战,LCLS正好可以满足这个条件,而甲烷这种易燃物质也会增加实验的风险,故研究团队采用了碳氢化合物--聚苯乙烯代替甲烷。

实验的第一步是对材料加热及加压,温度达到了5000K(约摄氏4727度)、压力则是150万大气压(相当于250头大象的重量施加在一个人的姆指指甲片上),第二步则是过程的成像,X射线绕射是用来将晶体结构成像的技术,但是非晶体分子就不那么有效了(烯及烷属于链状结构)。研究团队使用了另一种方法,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成钻石的过程,也能观察氢所发生的状况。

在这次的例子中,科学家知道碳在这个过程就直接形成了钻石,没有流体的过度形式,而这同时也解释了一些难题,海王星释出的能量,是太阳给予能量的2.6倍,而钻石如果就这样维持高密度状态潜入行星核心,它们可能会释出重力位能进而转化成为热能释出,这项新技术允许科学家利用另一种方法探测太阳系行星的内部,木星及土星的核心化学反应也是可以研究的过程,甚至是形成过程和演化历史。

责任编辑:田喆

本文章或节目经希望之声编辑制作,转载请注明希望之声并包含原文标题及链接。