激光爆破模擬超級地球中心破碎壓力

在十億分之一秒的時間裡，兩個鐵合金樣品在一個「超級地球」行星中心受到巨大的壓力，這顆行星體積是地球的三倍。但是，在2000個這樣的超級地球中，沒有一個發現繞著其他恆星運行，而是在我們的地球上——它被激光爆炸 了。據研究人員在一項新研究報告中稱，人們對地球內核所發生的事情知之甚少，甚至對那些比地球還要大但比海王星還小的多岩態超級地球所知甚少——這是我們太陽系中所沒有的。研究人員的工作標誌著對壓力下材料的一個里程碑式的測量，並為如何建模這些神秘世界的特性提供了見解。

研究人員使用了羅切斯特大學的Omega設備，用激光將鐵硅樣品壓縮到遙遠超級地球核心的超高壓力中。圖片：Laboratory for Laser Energetics

普林斯頓大學(Princeton University)的地球科學家、新工作的合著者托馬斯·達菲(Thomas Duffy)在一份聲明中說：現在有了一種技術，可以直接接觸到外部行星內部的極端壓力，測量重要的性能。研究人員預測，岩態行星的核心是由鐵元素組成的，其中含有更輕的元素，比如硅。因此他們開始研究在行星核心深處的這種組合會發生什麼。地球的核心是鐵合金與約10%的較輕的元素和硅是一個最好組合。關於晶體結構的知識是構成行星內部物質的最基本的信息，因為所有其他物理和化學性質都來自於晶體結構。

為了測量這些晶體結構，研究小組用高能激光照射在鑽石之間的樣品。激光將鑽石的邊緣蒸發，將其中的一部分轉化成等離子體，並將其向前推進，創造了極高壓的條件。研究人員說，立即通過樣本發送x射線來測量其原子結構，這是x射線衍射所記錄的最高壓力條件。壓力達到了1314億噸，是地球上海平面壓力的1300多萬倍，是地球核心壓力的3.5倍。研究人員發現，在最高的壓力下，硅元素較少的樣品將其原子排列成緊密的六邊形晶體結構，而硅元素較多的則是立方體結構，在中心的原子周圍形成一個立方體，周圍有8個原子(被稱為以體為中心的立方排列)。

一項新的實驗創造了一個比地球大三倍以上的外星世界的壓力，這是一個超級地球，用來研究在它的深處發生的物質。圖片：M. Kornmesser/ESO

還測量了不同壓力水平下的樣品密度，發現合金的密度是地球表面密度的2.5倍，與金或鉑的密度相當。在超級地球的核心，這種材料會導致一個更大、更低的核心，而不是由鐵構成。純鐵芯是不現實的，由於行星形成過程不可避免地會導致大量較輕的元素的加入。研究是第一個考慮這些更現實的核心成分的研究。接下來，研究人員計劃測試其他光元素，如碳或硫，在高溫下對鐵合金的影響，從而形成系外行星核。耶魯大學地球物理學家Kanani Lee在聲明中說：x射線衍射和休克實驗的方法還處於初級階段，所以看到一個『真實世界』應用於地球的核心和其他領域是令人興奮的。

黛安娜·巴倫西亞(Diana Valencia)是托倫托斯卡伯勒大學(University of Toronto-Scarborough)的行星科學家，她專註於「超級地球」和「迷你海王星」，並沒有參與這項研究。這項研究中使用的新技術是對太陽系外行星研究「非常重要的」貢獻。這是一項很好的研究，因為我們不只是從低壓力中推斷出最好的結果。這實際上給了我們『最好的』數據，因此模型就變得更好了。該研究的研究人員補充說，他們的技術可以比以往任何時候都更大的壓力測量樣本，這將讓研究人員更加確定地觀察潛在行星的核心。

對於地質學家來說，發現了這麼多的太陽系外行星，開啟了探索新領域的大門。現在意識到，在太陽系中，行星的種類遠遠超出了有限的例子，而且還有更廣泛的壓力、溫度和組成空間，必須加以探索。了解這些大型岩體的內部結構和組成，是探索板塊構造、磁場產生、熱演化、甚至是否適宜居住等基本問題的必要條件。

博科園-科學科普｜文：Sarah Lewin/Space

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