地球之上 “锻造”行星

超级地球(如图)的地质条件与地球相似吗？资料来源:m . Kornesser/Nick Risinger/ESO

费魏莹和他的同事们花了一个月的时间精心制作了三块高密度圆形硅酸盐板材，每块板材的样本厚度都不到1毫米。今年11月初，是时候说再见了。费·魏莹小心翼翼地用泡沫塑料包裹样本，并在将样本从华盛顿特区运送到新墨西哥州的阿尔伯克基之前添加了几个备份。在那里，位于桑迪亚国家实验室的Z脉冲电源设备将很快向这些薄片发出2600万安培的电流，将它们一个接一个地粉碎。

Z脉冲能量设备可以复制引爆核武器的极端条件。但是华盛顿特区卡耐基科学地球物理实验室的高压实验地质学家费·魏莹有着其他不同寻常的想法:他想探索布鲁金斯(一种在地球表面深处发现的矿物)是如何在太阳系之外更大的岩石行星内部更高的温度和压力下工作的。

这个实验是对太阳系外地质学的一个小小贡献:它把天文学家、行星科学家和地质学家聚集在一起，探索“什么样的”太阳系外行星地质学的研究领域。对许多科学家来说，部门外地质学是探索能够支持生命的世界的自然延伸。天文学家已经发现了数千颗系外行星，并收集了一些关于它们的重要信息，包括它们的质量和半径。在宜居带或“黄金”带(围绕主星的一个温度适宜、水以液态存在的区域)运行的行星被认为是特别有利于生命的。

然而，这一领域面临许多挑战。例如，地球地质学仍有许多困惑，例如地质构造活动是如何以及何时开始的。即使是地质活动的间接证据，也能为研究人员提供更完整的遥远星球的图像，并知道哪些星球是寻找生命迹象的最佳候选者。“就像你遇到了一个证据很少的犯罪现场。”麻省理工学院的天体物理学家萨拉·西格(Sara Seager)说，“你正在非常努力地把这些小证据结合起来，并试图在某种程度上把它们结合起来。”

超级地球

外行星科学最吸引人的目标之一是超级地球。这些岩石行星相当于地球质量的10倍多，在太阳系中没有对等物。但是它们被认为在星系中非常普遍，因为它们中的许多都相当大，所以它们比地球大小的行星更容易成为详细观察的目标。

早期的超地质研究发表于大约10年前，探索了如果这些行星只是地球的放大版本，它们会是什么样子。然而，2004年发现的热行星55号表明超级行星与这些想法完全不同。2011年的观测表明，这颗行星的半径约为地球的两倍，质量略高于地球的8倍，但其平均密度仅略高于地球，这带来了一个难题。

如果55康克瑞e和地球有相同的铁芯和硅酸盐地幔，考虑到它的体积，它的质量应该比这个大得多。围绕着这颗行星的海洋可能会将55坎昆的密度降低到与地球相似的水平。但是这颗行星也太热了，不能让水长时间存在——这颗行星离它的主星非常近，白天的温度约为2500开尔文。

2012年，康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的天文学家尼克库·马德胡德汉(Nikku Madhusudhan)和他的同事决定采用一种全新的方法进行研究，最终找到了解决这个难题的方法。先前的研究表明，这颗行星的宿主恒星比太阳含有更多的碳。这颗恒星和它的行星是由相同的尘埃和气体组成的旋转圆盘组成的，因此有理由认为55°坎昆e富含碳。当Madhusudhan将这种碳添加到他的星球内部模型中时，它形成了一个与星球世界相匹配的质量和半径。“这很有教育意义。”现在在英国剑桥大学工作的Madhusudhan说。这样的世界真是不可思议。Madhusudhan推测它的外壳可能由石墨烯控制。在地球内部，压力可能会将大量元素变成钻石。"与我们对太阳系的了解相比，这似乎非常极端。"他说。

行星组成

外星行星地质学家欢迎这种不确定性，并试图确定遥远的世界是如何形成和进化的。为了从一系列起始元素达到地质水平，科学家需要知道矿物是由什么形成的，它们何时熔化，以及它们的密度如何随压力和温度变化。这些数据可以用来模拟一个行星是如何从一个未分化的熔化球变成一个多层结构的，当行星冷却时矿物质形成，然后沉淀或流动。

为了收集信息来丰富这些模型，地质学家们正在把人造岩石放在高温高压的环境中来复制系外行星的内部结构，就像费·魏莹和他的同事们所做的那样。与此同时，包括亚利桑那州立大学矿物物理学家桑亨丹·辛(Sang-Heon Dan Shim)和他的同事在内的一个团队也利用这一过程挤压富含碳的样品，这可能反映了55号元素的成分。这些研究揭示了行星是如何被可能导热的碳化物所控制的，以及它们与硅酸盐控制的类地行星有何不同。

碳不是唯一的兴趣点。亚利桑那州立大学的系外行星地质学家开曼·安特波恩指出，镁、硅和铁的“三种元素”影响着行星的整体结构。它们影响地幔中热量的流动方式和行星核心的大小，以及行星地壳板块的状态和磁场。这些元素的比例从一颗恒星到另一颗恒星变化很大。太阳的每个硅原子都有一个相对的镁原子。对于其他恒星，该比率在0.5和2之间。这种差异可能看起来很小，但是如果相同的比例存在于行星中，它们会显著影响它们的地质条件。

大多数教科书认为富含镁的岩石比富含高浓度硅的岩石更软，所以在富含镁的行星上行走感觉就像在泥里行走。Shim的钻石压力室可以作用在不同镁硅比的岩石上，这表明与这些行星和富含硅的行星相比，它们可能还有更深的岩浆库，因此它们将有更多灾难性的火山。然而，Shim指出，其他参数，如矿物质中水的浓度也需要考虑在内。

制造高压

有了两颗钻石，Shim只能施加不超过400千兆帕斯卡的压力，这比地球中心的压力稍高。为了探索超级地球的内部，他求助于世界上最亮的x光激光:位于加州门罗公园的SLAC国家加速器实验室的线性连续加速器光源(LCLS)。该装置可以在样品中产生冲击，产生600千兆帕的高压，足以模拟两倍于地球质量的行星核心。

地质科学家也在利用其他大型设施探索潜在系外行星的形成。Z设施可以达到1000千兆帕斯卡，这可能发生在一个质量相当于地球3倍的行星内部。位于日本大阪巴黎的激光设备也可以达到类似的压力范围。这些实验仍处于早期阶段，研究人员正在争取时间使用这些设备，并逐渐积累各种基本化合物的数据。

最终，系外行星地质学家希望找到元素的正确组合来构建系外行星的地质条件。"我希望能够确定可居住的‘黄金’地带的化学成分."俄亥俄州立大学的地质学家温蒂·帕内罗说，“什么是既不柔软也不坚硬的可居住带？”

一些人期望这项研究能帮助宇航员决定在寻找生命时瞄准哪些行星。它也可能有助于从遥远的地方发现地质活动。显然，坎昆55号行星绝不是一个适合生命存在的世界。但是其他星球可能更合适。今年早些时候，Unterborn和他的同事完成了对1000多颗类似太阳的恒星的分析。根据这些恒星的组成，他判断其中1/3的行星可能有如此致密的外壳，以至于沉入地幔。

一些研究人员开始探索系外行星的地质组成。卡尔森指出，对这些世界的研究已经产生了许多意想不到的结果，不仅证明了行星似乎已经在它们的轨道上发生了显著的变化。这些发现促使天文学家重新思考太阳系的演化，并推断出类似的活动可能导致了水冰等物质被带到地球上。"我认为人类的想象力远非天生的创造力."卡尔森说，“所以，理解现实的多样性要求我们睁开眼睛，看到其他的可能性。这是其他可能帮助我们更好地了解我们的情况。”(晋南编)

阅读更多

《自然》杂志的相关报道