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研究證海王星天王星核心可現「鑽石雨」 助了解行星系統演化歷史

2020/6/30 — 22:38

一直以來,學界都認為在海王星和天王星內部深處會現「鑽石雨」,上月刊於《自然通訊》的研究佐證說法,指成功在實驗室高溫與高壓環境下,將碳氫化合物 (hydrocarbon) 變成鑽石。

研究使用了美國 SLAC 國家加速器實驗室的 X 光激光器 LCLS ,模擬海王星表面約 1 萬公里下的環境鑽石會否形成。該位置的壓力約為 150 萬個大氣壓,溫度為 4,730°C 。在這種環境下,碳氫化合物會瓦解成元素碳和氫,而實驗顯示至少有四分之一的碳形成了最堅硬的結構「鑽石」。

LCLS 負責人、未列為該研究作者的等離子體物理學家 Mike Dunne 解釋,研究提供的數據,即兩種元素的「混溶性 (miscibility) 」,即混合時如何結合或不混溶的情況,很難用電腦模擬;而團隊則在過程中發現到碳氫的分離,情況如將蛋黃醬分解成油和醋。

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海王星和天王星是太陽系中最難以理解的行星,其中一個問題是它們距地球太遠,現時只有一個太空探測器航行者 2 號 (Voyager 2) 曾掠過這兩個星體,但航行者 2 號並無專門的長期任務了解海王星和天王星內部 。

根據美國太空總署,類似海王星和天王星冰巨行星 (ice giant) 在銀河系中極為普遍,類似海王星的系外行星的數目可能是類似木星系外行星的 10 倍。因此,了解我們太陽系的冰巨行星對於了解整個銀河系中的行星非常重要。

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現時我們知道,海王星和天王星的大氣主要由氫、氦以及少量甲烷 (methane, CH4) 組成。在這些大氣層之下,水、甲烷和氨等「冰冷」物質會包裹行星的超熱超密流體核心。幾十年前的計算和實驗表明,在足夠的壓力和溫度下,甲烷可以分解成鑽石,表明鑽石可在這種熱、密度高的材料中形成。

2017 年德國物理學家 Dominik Kraus 使用 SLAC 的 X 光衍射 (diffraction) 設施證明此說法可行,但由於方法只對有晶體結構有突出效果,未能全面了解冰巨行星內部,因此在是次研究, Kraus 的團隊使用更先進的 LCLS ,並以非晶體烴類聚苯乙烯 (hydrocarbon polystyrene, C8H8) 模擬海王星內部物質,來測量 X 光如何將 C8H8 的電子上散射出去。

團隊除了觀察得到碳元素變成鑽石的過程,亦觀察到幾乎無碳在過程中剩餘,它們並不過會以液體過渡形式存在。這發現相當重要,因為海王星的內部比預期的要熱,其發出的能量是從太陽吸收的 2.6 倍。

如果比周圍物質密度更高的「鑽石雨」在內部出現,這些鑽石可能釋放出重力能量,而這些重力能量會因鑽石與周圍物質之間的摩擦轉化為熱能。

Kraus 指,實驗表明人類不必尋找替代的解釋,亦顯示了一種可以用來探測太陽系其他行星內部的方法,在地球上模擬如木星和土星之類的天然氣體行星內部極端條件下,氫和氦元素是如何混合和分離從而了解行星和行星系統的演化歷史。另外,研究也支持設計針對未來聚變能量的實驗。

來源:
Science Alert, Neptune Rains Diamonds, And Now We Might Finally Know How, 29 June 2020

報告:
Frydrych, S., Vorberger, J., Hartley, N.J. & et al. (2020). Demonstration of X-ray Thomson scattering as diagnostics for miscibility in warm dense matter. Nat Commun 11, 2620 (2020). doi:10.1038/s41467-020-16426-y

文/Alan Chiu

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