科学家实验室再造超大行星形成场景和地球出生场景

据科学日报报道,最新的激光驱动压缩试验再造了外来超级地球和巨大行星核心深处的环境,以及类似地球的行星在出生时的环境,并记录了决定行星形成和进化过 程的材料特性。这些被发表在1月23日的期刊《科学》上的实验揭示了在与行星形成和内部进化相关的极端压力和温度下,岩石的关键组成部分二氧化硅的罕见特 性。

最新的激光驱动压缩试验再造了超大行星地心环境,以及类似地球的行星的出生场景

利用激光驱动的冲击压缩和超快诊断,劳伦斯利弗摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,简称LLNL)的物理学家马里厄斯•米罗(Marius Millot)和德国拜罗伊特大学、LLNL以及美国加州大学伯克利分校的同事能够测量二氧化硅在500GPa(500万个标准大气压),这个压力相当于一个超级地球(质量为地球5倍)、天王星和海王星的核幔边界的压力。

“在行星地下深处,极端的密度、压力和温度会极大的改变组成材料的特性,” 米罗说道。“在压力条件下固体在熔化之前能够维持多久是确定行星内部结构和进化的关键,而现在我们能够在实验室内对它进行直接测量。”

结合之前对其它氧和铁的熔化测量,最新的数据暗示地幔二氧化硅和地核金属在300至500GPa以上具有可比拟的熔化温度,这暗示了大型岩石行星深处可能普遍具有长期存在的岩浆(熔岩)海洋。行星磁场可以在这个液体-岩石层形成。

“此外,我们的研究表明在海王星、天王星、土星和木星核心内部二氧化硅很可能是固态,这为有关这些行星结构和进化的未来改善模型设定了新的约束。” 米罗说道。

这些新发现多亏了德国拜罗伊特大学高压晶体生长技术取得的突破性进展。纳塔莉亚•杜布罗维斯卡亚(Natalia Dubrovinskaia)和同事人工合成了毫米大小的透明多晶体和超石英的单晶体,这是一种常见于流星撞击陨石坑的二氧化硅的高密度形式。

这些晶体使得米罗和同事可以利用美国罗彻斯特大学激光能量实验室欧米茄激光设备的超快光学高温测量术和速度测量学进行第一项超石英激光驱动的冲击压缩研究。“超石英比石英或者熔融石英更密集,它在冲击压缩下能够保持更冷却,这使得我们可以在更高压环境下测量它的熔化温度,” 米罗说道。“与行星相关的材料的动态压缩是目前非常热门有趣的领域,行星深处氢是金属流体,能下氦雨,流体二氧化硅是金属,而水可能是超离子导体。”

事实上,近期在太阳系内新发现的环绕其它恒星的1000多颗系外行星揭示了行星系统、行星大小和特性的多样性。它还将提出有关太阳系的新见解。利用在实验室内复制巨大行星深处以及行星形成过程中极端环境的能力,米罗和同事计划研究主要行星组成部分的外部行为,以促进对地球和生命起源的更好理解。

稿源:凤凰网科技

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