系外行星内部结构是什么样？极端压强实验帮揭开答案

艺术示意图:系外行星是指围绕太阳系外其他恒星运行的行星。我们对这些遥远的世界几乎一无所知，对它们的内部结构更不熟悉。

根据美国太空网络，晶体正在一些行星的核心形成。这里的环境压力比地球海平面的大气压力高4000万倍，比地核的压力高10倍。科学家想知道物质在如此极端的情况下会如何变化。找到这个问题的答案将有助于我们寻找隐藏在银河系中的宇宙生命现象。

目前，科学家对这些极端环境中的晶体知之甚少。他们不知道这些晶体是如何和何时形成的，它们的外观是什么，它们的性质是什么。但是这些问题的答案对于理解那些外星世界的表面状况有着重要的意义——它们是被流动的岩浆覆盖，被雪覆盖，还是沐浴在附近恒星的强烈辐射中？所有这些问题的答案反过来将不可避免地影响地球表面环境的可居住性。

太阳系外行星的内部对人类来说仍然是一个谜，因为在太阳系中基本上只有两种类型的行星样本:或者是像水星、金星、地球和火星这样的岩石类小行星；要么是一颗主要由气体组成的巨型行星，如土星和木星。但近年来，科学家们在太阳系以外的其他恒星周围发现了非常不同的行星，比如所谓的“超级地球”——同样的岩石结构，但非常大。还有“迷你海王星”——也是由气体构成，但要小得多；此外，这两种类型的行星数量似乎很大，所以它们不是异质的。

然而，由于这些行星沉浸在它们的“太阳”的光辉中，观察困难，我们目前对这些系外行星的了解仍然非常有限。它们的表面是什么样的？这篇作文的材料成分是什么？他们有磁场吗？这些问题的答案在很大程度上取决于岩石和金属在极高压力下的性质和行为。

当代科学的极限

正如多伦多大学的行星科学家戴安娜·巴伦西亚(Diana Valencia)指出的那样:目前，我们对系外行星的理解基本上是基于我们对太阳系中行星的理解，这种理解后来得到了扩展。在今年3月的美国物理学会(APS)会议上，她呼吁矿物研究领域的科学家积极尝试探索这些奇异的行星核心物质的行为和性质。

“推撒”的方法是好的，但也存在严重的问题。例如，在一个压力比地核高10倍的极端环境中，金属会有什么样的性质？这不是把地球核心的情况扩大十倍就能得出的结论。在这种极端的压力环境下，物质的化学性质会完全改变。

洛杉矶加利福尼亚大学的理论矿物物理学家拉斯·斯蒂克斯鲁德说:“因此，我们希望在超级地球的核心中找到不存在于地球或自然界任何地方的特殊晶体。这些物质中原子的排列将呈现一种只有在极高压力下才有可能的排列模式。”

出现这种特殊结构的原因是原子之间的联系在极端压力环境下完全改变了。在地球表面，即使在更深的地下环境中，原子也只是通过外层电子之间的相互作用连接在一起。然而，在超地球核心的超高压环境中，来自内环的电子将参与并完全改变这些物质的原始化学反应性质。

这种化学变化将影响整个地球的行为。例如，科学家知道超级地球会积累大量热量。然而，他们无法确定这个数量到底有多少，这个问题的答案对于估计相关行星上板块运动和火山爆发的活动具有重要的参考意义。在地核的压力水平下，一些较轻的元素会与铁芯融合，从而影响地球的磁场特性。但是在更高的压力条件下，会发生这种情况吗？我不知道。甚至超级地球本身的大小也可能取决于构成其核心的材料的晶体结构属性。

然而，由于太阳系中缺乏类似的行星，无法作为近距离详细研究的样本，科学家们不得不致力于基本的物理和数学计算以及实验室模拟，试图回答这些假设性的问题。然而，这样的计算经常导致一个开放式的答案，没有留下任何线索。

实验怎么样？

不幸的是，正如斯蒂克斯·路德所说:“这里要求的压力和温度环境条件超出了当前实验室技术和实验操作的能力极限。”

在地球上创造一个“超级地球”

在地球上，科学家经常使用两个由工业钻石制成的尖锥来创造最极端的压力环境，并使用锻压机等设备将两者推在一起。但是要达到“超级地球”核心所要求的压力，不可能同时压碎两颗钻石。物理学家必须找到另一种方法。他们发现的方法被称为“动态压缩实验”，就像普林斯顿大学矿物物理学家汤姆·杜菲的研究小组所做的那样。这种方法可以产生更接近“超级地球”内部的压力环境。然而，这只能持续一会儿，远远不到一秒钟。

杜菲说:“这里的想法是这样的:你用超强激光照射样品，这将导致样品表面急剧加热并产生等离子体。快速加热的样品会突然变热，一个小样品会脱离表面，样品内部会产生压力波。这种效果就像火箭向前飞行，尾气向后喷射。”

这里使用的样本非常非常小，是一个面积只有大约一平方毫米的平板。然而，上述加热和裂解的整个过程仅持续不超过1纳秒(1亿分之一秒)。当压力波到达样品背面时，整个样品会立即破裂。然而，通过对整个过程的密切观察，杜菲和他的同事们能够获得各种信息，例如在远远超过目前实验水平的超高压环境中铁和其他分子的密度。

仍然有许多问题需要回答，但是这个领域的知识更新非常快。例如，2007年2月发表在《天体物理学杂志》上的第一篇关于超级地球内部结构的论文现在被认为已经过时，因为科学家后来获得了地球内部化学元素的最新数据。

然而，回答这些问题是非常重要的，因为它们能告诉我们在那些遥远的世界里是否可能有类似的板块运动、岩浆和磁场，当然，是否有适合生命存在的环境。