最新實驗證實:天王星和海王星正下著鉆石雨

技術力量 2020-06-29 檢舉

最新實驗證實:天王星和海王星正下著鉆石雨

天王星和海王星正下著鉆石雨

美國SLAC國家加速器實驗室利用Linac相干光源X射線激光器證實,在海王星和天王星的深處,可能下著鉆石雨。這些冰巨星表面下數千公里的高溫和高壓會使碳氫化合物分裂,碳被壓縮成金剛石,并向行星核心更深處沉去。

新實驗是迄今為止最精確的實驗,它證實了碳直接轉變為結晶金剛石的過程。

海王星和天王星是太陽系中的冰巨星球,也是我們最不了解的行星。它們的距離遠得令人望而卻步,只有旅行者2號太空探測器曾經靠近過它們。

但在更廣闊的銀河系中,冰巨星極為常見。美國宇航局的數據顯示,類似海王星的系外行星是類似木星的系外行星的10倍。

因此,了解太陽系的冰巨星對于了解整個銀河系的行星至關重要。

海王星和天王星的大氣層主要由氫和氦組成,還有少量的甲烷。在這些大氣層下面,有一種由水、甲烷和氨等 "冰 "物質組成的超熱、超密度流體包裹著行星的核心。

之前的計算和實驗表明,在足夠的壓力和溫度下,甲烷可以被分解成鉆石。

德國德累斯頓·羅森多夫赫爾姆霍茨中心的物理學家多米尼克·克勞斯領導的一項實驗利用X射線衍射來證明這一點。現在,克勞斯和他的團隊將他們的研究又向前推進了一步。

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Linac相干光源X射線激光器

在地球上復制巨行星的內部是很有挑戰性的任務。科學家們需要一些相當特殊的設備,這就是Linac相干光源X射線激光器。此外,還需要一種材料來復制巨行星內部的東西。為此,該團隊使用碳氫化合物聚苯乙烯(C8H8)來代替甲烷(CH4)。

第一步是對材料進行加熱和加壓,以復制海王星內部約10000公里深度的環境條件:光學激光脈沖在聚苯乙烯中產生沖擊波,將材料加熱到約5,000開爾文(4,727攝氏度)它還會產生強烈的壓力。

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驅動激光使用階梯式脈沖曲線壓縮實驗材料

克勞斯說:“我們產生了大約150萬巴的壓力,這相當于大約250頭非洲大象的重量在拇指甲表面所施加的壓力。”

在之前的實驗中,使用X射線衍射然后探測材料。這對于具有晶體結構的材料來說效果很好,但對于非晶體分子來說效果較差,所以畫面不完整。在新的實驗中,該團隊使用了不同的方法,測量X射線如何散射掉聚苯乙烯中的電子。

這讓他們不僅能觀察到碳轉化為金剛石的過程,還能觀察到樣品的其余部分會發生什么:它分裂成氫氣,而且幾乎沒有剩余的碳。

克勞斯說:“我們現在知道,在冰巨星的環境情況下,碳在分離時幾乎只形成鉆石,而不會形成流體過渡形式。”

海王星的內部有一些非常奇怪溫度現象,它的內部比它應有的溫度高得多。事實上,它發出的能量是它從太陽吸收的能量的2.6倍。

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最新實驗證實:海王星正下著鉆石雨

如果鉆石正雨點般地落入海王星的內部,由于鉆石比周圍的物質密度更大,它們可能會釋放出引力能量,而引力能量會轉化為鉆石與周圍物質之間摩擦產生的熱量。

這個實驗表明,我們不需要親自去往其它星球,可以用實驗來 "探測 "太陽系中其他行星的內部。

克勞斯說:“這種技術將使我們能夠測量有趣的,難以實地觀察的情況。我們能夠看到在木星和土星等氣體巨行星內部發現的氫和氦元素如何在這些極端條件下混合和分離。這是一種研究行星和行星系統演化歷史的新方法,同時也是對未來潛在的核聚變能源形式的支持實驗。基于X射線散射的的方法非常有前途,我們的實驗正在提供重要的模型參數,而之前,我們只有巨大的不確定性。我們發現的系外行星越多,這將變得越來越重要。”

該研究已發表在《自然通訊》上。

來源:www.toutiao.com

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