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在地球上 “锻造”一颗行星

发布者: 齐天天圣| 发布时间: 2017-12-21 22:13| 查看数: 194


超级地球(如图)是否拥有类似地球的地质条件?图片来源:M. Kornmesser/Nick Risinger

即便是关于地质活动的间接证据,也可以为研究人员提供一个更加完整的关于那些遥远行星世界的图景,并了解哪些是搜寻生命迹象的最佳候选者。

费英伟(音译)和同事已经花费了1个月仔细打造3个高密度圆形硅酸盐薄片,每个薄片样本厚度低于1毫米。今年11月初,到了说再见的时候了。费英伟仔细将样本用塑料泡沫包裹好,还加了几个备份,然后将其从美国华盛顿特区运往新墨西哥阿尔伯克基。在那里,位于桑迪亚国家实验室的Z脉冲功率设备很快将把2600万安培的电流涌向这些薄片,将它们一个个击为尘埃。

Z脉冲功率设备能够复制引爆核武器的极端条件。但华盛顿特区卡耐基科学地球物理实验室高压实验地质学家费英伟的头脑里却有着其他超凡脱俗的想法:他希望探索布氏岩(在地表深处发现的一种矿物质)在太阳系外更大岩石行星内部的更高温度和高压下如何运行。

这项实验是对太阳系外地质学的一个小贡献:将天文学家、行星科学家和地质学家集合在一起探索系外行星地质“是什么样”的研究领域。对很多科学家来说,系外地质学是探索能够支撑生命的世界的自然延伸。天文学家已经发现了上千颗系外行星,并收集了它们的一些重要资料,包括其质量和半径。那些在宜居区或“金色”地带(主恒星周围的一个温度适宜、让水以液态形式存在的区域)运行的行星被认为尤其是对生命友好的。

但这一领域却面临若干挑战,例如地球地质学仍存在很多谜题,如地质构造活动是如何以及从什么时候开始的。即便是关于地质活动的间接证据,也可以为研究人员提供一个更加完整的关于那些遥远行星世界的图景,并了解哪些是搜寻生命迹象的最佳候选者。“它就像是你遇到了一个证据极少的犯罪现场。”麻省理工学院天体物理学家Sara Seager说,“你试图非常艰难地把少之又少的证据结合在一起,并设法将其在某种程度上拼接起来。”

超级地球

系外行星科学最令人着迷的目标之一就是超级地球。这些岩石行星——相当于地球质量的10倍以上——在太阳系内并没有对等物。但它们据认为在星系间非常常见,因为它们中很多体积相当大,因此地球大小的行星更容易成为详细观察的目标。

对超级地球地质学的早期研究发表于约10年前,它们探究了这些行星如果是简单的扩大化版本的地球会是什么样子。但在2004年发现的炙热行星55 Cancri e却表明,超级行星与这些想法完全不同。2011年的观测表明,该行星的半径约相当于地球的两倍,质量略超过地球质量的8倍,但其平均密度仅比地球略高一点,这带来了谜题。

如果55 Cancri e有着地球一样的铁核和硅酸盐地幔,考虑到它的体积,其质量应该比这大得多。包裹在这颗行星周围的一片海洋可能会让55 Cancri e的密度降低到类似地球的水平。但这颗行星也过于炙热,不可能让水存在很长时间——该行星距离其主恒星非常近,白天温度约达2500开尔文。

2012年,康涅狄格州纽黑文耶鲁大学天文学家Nikku Madhusudhan和同事决定采用一种全新方法开展研究,终于有了一个解开谜题的方法。此前的研究表明,这个行星的宿主恒星拥有远多于太阳的碳。该恒星与其行星是由同样的旋转的尘埃和气体盘构成的,因此认为55 Cancri e拥有丰富的碳也很合理。当Madhusudhan在其行星内部模型中加入这种碳之后,它形成了与该行星世界相匹配的质量和半径。“这具有启示性。”现在英国剑桥大学工作的Madhusudhan说。这样的世界真不可思议。Madhusudhan推测,其地壳可能被石墨烯主导;而在该行星内部,压力可能把大量的元素变成了金刚石(钻石)。“它与我们了解的太阳系的情况相比似乎非常极端。”他说。

行星构成

系外行星地质学家对这种不确定性表示欢迎,并在设法确定遥远的世界如何形成和演化。为了从一系列起始元素到达地质学层面,科学家需要知道矿物是用什么形成的、它们何时熔化及其密度如何随着压力和温度而变化。这些数据可被用于模拟行星如何从一个无差别的熔融球变成一个多层次的结构,并随着行星冷却形成矿物质,然后沉淀或流动。

为了收集信息充实这些模型,地质学家正在把合成的岩石置于高温和高压环境中以复制系外行星的内部结构,正如费英伟和同事所做的那样。同时,包括亚利桑那州立大学矿物质物理学家Sang-Heon Dan Shim和同事所在团队也利用这一过程挤压富含碳的样本,这些样本可能反映55 Cancri e的构成。这些研究已经揭示了行星如何被可能传导热量的碳化物主导,以及它们与被硅酸盐主导的类似地球的行星有何差异。

碳并非唯一的兴趣点。亚利桑那州立大学系外行星地质学家Cayman Unterborn指出,镁、硅和铁“三大元素”会影响一个行星的体相结构,它们会影响热量如何在地幔中流动以及该行星核心的大小,此外还会影响行星地壳板块的状态和磁场。这些元素的比例随着恒星的不同存在广泛差异。太阳的每个硅原子都会有一个相对的镁原子;对于其他恒星来说,这一比例在0.5到2之间。这种差异看起来可能很小,但如果行星中存在同样的比例,它们可以显著地影响其地质状态。

大多数教科书认为,富含镁的岩石的质地会比那些含有高度集中的硅的岩石更加柔软,因此在富含镁的行星世界走路会感觉像在泥泞中走路一样。Shim的金刚石压腔可对各种镁—硅比例的岩石起作用,表明与这些星球与富含硅的行星相比,还可能拥有更深的岩浆库,因此,将会拥有更具灾难性的火山。但Shim指出,其他的参数如矿物中水的集中度也需要纳入考量。

制造高压

用两块金刚石,Shim仅能应用不超过400吉帕的压力,这比地心的压力略高一点。为了探索超级地球的内部,他转向了世界上最亮的X光激光:加州门洛帕克市SLAC国家加速器实验室的直线性连续加速器光源(LCLS)。该设备能够在样本内产生冲击,形成600吉帕的高压,足以模拟相当于两倍地球质量的行星核心。

地质科学家还在用其他大型设施探索潜在的系外行星形成。Z设施可以达到1000吉帕,这种情况或许会出现在相当于3倍地球质量的行星内部。位于法国帕莱索、曰本大阪的激光设备也能达到类似的压力范围。这些实验仍处于初期阶段,研究人员正在为使用这些设施争取时间,并逐渐积累各种基础化合物的数据。

最终,系外行星地质学家希望找到正确的元素组合,以构建类地系外行星的地质状况。“我希望能够确定宜居的‘金色’地带的化学组成。”俄亥俄州立大学地质学家Wendy Panero说,“对于岩石构成来说,什么才是既不软也不硬的宜居带呢?”

一些人期待,这项研究可以帮助宇航员决定探寻生命时应该瞄准哪些行星。它或许还有助于从遥远的地方发现地质活动。很明显,行星55 Cancri e绝非适合生命的世界。但其他行星世界或许更加适合。今年早些时候,Unterborn和同事完成了一项分析类似太阳的1000多颗恒星的工作。根据这些恒星的构成,他判断其中1/3的恒星可能拥有地壳密度很大以至于沉入地幔的行星。

一些研究人员正开始探索系外行星地质构成,Carlson指出,对于这些世界的研究已经产生了大量出人意料的成果,不仅是行星似乎在其轨道上发生显著偏移的证据。这些发现使天文学家重新思考太阳系的演化,并推论认为类似的活动或使得水冰等物质被携带到地球上。“我认为人类的想象力距离自然的创造力还差得很远。”Carlson说,“所以,了解现实存在的多样性需要我们睁开双眼,看清其他的可能性。正是其他的可能性会帮助我们更好地了解我们的处境。”(晋楠编译)

《中国科学报》 (2017-12-21 第3版 国际)
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