天文學家終於瞭解海王星是如何下鑽石雨的

在天王星及海王星的核心深處,可能正下著鑽石雨,現在,天文學家藉由新方法得到實證。曾經的假設中提到,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。

天王星及海王星是太陽系中最不為人知的行星,它們的距離遠得令人望之卻步,人類歷史中僅僅有一個太空船「航海家2號」曾經接近過它們,而且還只是短暫飛掠,非長期性專門任務。

藝術家筆下的環及真實照片海王星結合圖像

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,同時也是電漿物理專家Mike Dunne進一步解釋:「這項研究提供了一種非常難以模擬或計算的現象,兩種元素的互溶性以及其混合時的結合方式。他們也看見了兩種成份(碳及氫)是如何分離的,就如同把美乃滋又分開變成油和醋一樣。

幾十年前的計算及實驗就說明,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,故研究團隊採用了另一種碳氫化合物-「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,沒有流體的過渡形態,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為熱能釋出,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,這項論文發表在《自然-通訊》期刊上。

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