在地球上創(chuàng)造一個(gè)“超級(jí)地球”：極端壓強(qiáng)只能一瞬間

來(lái)源：新浪科技 發(fā)布時(shí)間：2019-06-05瀏覽：2918次

在地球上創(chuàng)造一個(gè)“超級(jí)地球”：極端壓強(qiáng)只能一瞬間

　　新浪科技訊 北京時(shí)間6月5日消息，據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)報(bào)道，在一些星球的核心，晶體正在形成。這里的環(huán)境壓強(qiáng)是地球海平面大氣壓強(qiáng)的4000萬(wàn)倍以上，比地球核心的壓強(qiáng)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(huì)如何發(fā)生改變？找到這個(gè)問(wèn)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(duì)于這些極端環(huán)境下的晶體幾乎一無(wú)所知。他們不知道這些晶體如何以及何時(shí)形成，它們的外觀如何，具有什么樣的性質(zhì)。但這些問(wèn)題的 答案對(duì)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(dòng)的巖漿覆蓋，還是白雪皚皚，亦或是沐浴在來(lái)自近鄰恒星劇烈的輻射海洋之中？而所有 這些問(wèn)題的答案，又必然會(huì)反過(guò)來(lái)影響到這些行星表面環(huán)境的宜居性。

　　太陽(yáng)系外行星的內(nèi)部對(duì)于人類(lèi)而言，仍然是一個(gè)謎團(tuán)，因?yàn)樵谔?yáng)系中基本上只有兩大類(lèi)的行星樣本：要么就是體型很小，由巖石組成的類(lèi)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?cè)谔?yáng)系之外其他恒星的周?chē)l(fā)現(xiàn)了很不一樣的行星，比 如所謂的“超級(jí)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(lèi)行星的數(shù)量似乎普遍存在，因而并非異 類(lèi)。

　　但是由于這些行星都沉浸在它們的“太陽(yáng)”的光輝之中，觀測(cè)難以進(jìn)行，因此我們目前對(duì)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(chǎng)嗎？這些問(wèn)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(duì)太陽(yáng)系內(nèi)行星的了解，隨后推而廣之。她在今年3月份召開(kāi)的美國(guó)物理學(xué)會(huì) （APS）會(huì)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(wèn)題。

　　“推而廣之”的辦法不錯(cuò)，但也存在嚴(yán)重的問(wèn)題。比如說(shuō)，在一個(gè)壓強(qiáng)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(qiáng)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(huì)在一顆超級(jí)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(huì)產(chǎn)生這樣的特殊結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樵跇O端壓強(qiáng)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(jí)地球核心的超強(qiáng)壓強(qiáng)環(huán)境下，更加內(nèi)圈的電子將參與進(jìn)來(lái)，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(duì)整個(gè)行星的行為產(chǎn)生影響。比如說(shuō)，科學(xué)家們知道超級(jí)地球?qū)⑿罘e很多的熱量。但他們無(wú)法確定究竟這個(gè)量有多少，而這個(gè)問(wèn) 題的答案對(duì)于估算相關(guān)星球上的板塊運(yùn)動(dòng)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(qiáng)程度下，一些較輕的元素與鐵質(zhì)內(nèi)核相互熔合，從而對(duì)行星 的磁場(chǎng)性質(zhì)產(chǎn)生影響，但在更高的壓強(qiáng)條件下，這樣的情況還會(huì)發(fā)生嗎？不知道。甚至超級(jí)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(yáng)系內(nèi)部缺乏類(lèi)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(jì)算，以及實(shí)驗(yàn)室模擬工作，來(lái)嘗試回答這類(lèi)假設(shè)性問(wèn)題。但這樣的計(jì)算常常會(huì)得到一個(gè)開(kāi)放式的答案，讓人沒(méi)有頭緒。

　　那么實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

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

　　在地球上創(chuàng)造一個(gè)“超級(jí)地球”

　　在地球上，科學(xué)家們創(chuàng)造最極端壓強(qiáng)環(huán)境的做法常常是使用兩個(gè)由工業(yè)鉆石制成的尖錐，并使用鍛壓機(jī)之類(lèi)的設(shè)備將兩者頂?shù)揭黄?。但要想達(dá)到“超級(jí)地 球”核心所要求的那種壓強(qiáng)，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(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)”（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(jí)地球”內(nèi)部的壓強(qiáng)環(huán)境。但這樣做持續(xù)的時(shí)間只能堅(jiān)持一瞬間，遠(yuǎn)不到一秒鐘。