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科學家終於找出了海王星、天王星下鑽石雨的原因所在
科學家終於找出了海王星、天王星下鑽石雨的原因所在(示意圖:pixabay)

【希望之聲2020年7月3日】(編輯:郭曉)海王星天王星太陽系中氣態巨行星,同時也是九大行星中距離太陽最遙遠的兩顆行星。天文學家在過去長期的研究中發現,海王星天王星上存在着超強高壓,能輕易把碳原子壓成鑽石

現在在天王星海王星的核心深處,可能正下着鑽石雨,天文學家藉由新方法得到實證。這些冰巨行星表面下數千公里處,其高溫及高壓會使碳氫化合物鍵結斷裂,其中的碳會被壓縮成鑽石,並向行星的更核心處前進。

天王星海王星太陽系中最不爲人知的行星,人類歷史中僅僅有一個太空船“旅行者二號”曾經接近過它們,而且也不是專職對兩顆行星進行探測,只是短暫飛掠,非長期性專門任務。

這一類的“類海行星”在廣闊的銀河系中非常常見,依據美國太空總署的資料,“類海系外行星”比“類木系外行星”還要普遍10倍,因此,瞭解我們太陽系的冰巨行星對於全銀河系的行星認識非常重要,而在其寧靜的藍色外表下究竟發生了什麼,正是科學家急迫追求的答案。

新的實驗中使用了SLAC國家加速器實驗室的「線性粒子加速器相干光源」(Linac Coherent Light Source,以下簡稱LCLS)X射線雷射束,針對鑽石雨的發生過程進行最精準的測量,並直擊碳轉變成鑽石晶體的過程。

LCLS的負責人,同時也是等離子物理學家麥克·鄧恩(Mike Dunne)表示,雖然海王星天王星上的碳元素不足,但是它們的碳氫化合物比較充足,可以利用分解碳氫化合物的方法來獲得單一碳元素,碳元素在行星內部高溫高壓的環境下被壓縮成鑽石,並因爲密度比周圍的物質高而不斷往下墜。

鑽石
鑽石(圖片:pixabay)

幾十年前的計算及實驗就說明瞭,在足夠的壓力及溫度下,甲烷可以分解成碳、氫,最終在壓力下結晶成鑽石,而在地球上要複製這個過程是非常大的挑戰,LCLS正好可以滿足這個條件,而甲烷這種易燃物質也會增加實驗的風險,故研究團隊採用了碳氫化合物--聚苯乙烯代替甲烷。

實驗的第一步是對材料加熱及加壓,溫度達到了5000K(約攝氏4727度)、壓力則是150萬大氣壓(相當於250頭大象的重量施加在一個人的姆指指甲片上),第二步則是過程的成像,X射線繞射是用來將晶體結構成像的技術,但是非晶體分子就不那麼有效了(烯及烷屬於鏈狀結構)。研究團隊使用了另一種方法,測量X射線是如何散射聚苯乙烯中的電子,這不僅能讓他們觀察到碳轉化成鑽石的過程,也能觀察氫所發生的狀況。

在這次的例子中,科學家知道碳在這個過程就直接形成了鑽石,沒有流體的過度形式,而這同時也解釋了一些難題,海王星釋出的能量,是太陽給予能量的2.6倍,而鑽石如果就這樣維持高密度狀態潛入行星核心,它們可能會釋出重力位能進而轉化成爲熱能釋出,這項新技術允許科學家利用另一種方法探測太陽系行星的內部,木星及土星的核心化學反應也是可以研究的過程,甚至是形成過程和演化歷史。

責任編輯:田喆

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