在系外行星超級(jí)地球中心深處，晶體在比地球核心壓力大10倍壓力下形成，更好地理解它們可以幫助我們?cè)阢y河系的其他地方尋找生命。

目前，科學(xué)家對(duì)這些神秘的晶體幾乎一無(wú)所知，不知道是如何形成的，什么時(shí)候形成的，它們長(zhǎng)什么樣，它們的行為會(huì)是怎樣？但這些問(wèn)題的答案可能對(duì)這些星球的表面有著巨大影響——不管它們是被流動(dòng)的巖漿或冰覆蓋，還是被它們的主星的輻射轟擊。反過(guò)來(lái)，這個(gè)答案可能會(huì)影響到這些行星孕育生命的可能性。

博科園：這些系外行星內(nèi)部對(duì)我們來(lái)說(shuō)是神秘，因?yàn)樵谔?yáng)系中，行星要么是小而多巖石的，比如地球和火星，要么是大而多氣體的，比如土星和木星。但近年來(lái)，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，所謂的“超級(jí)地球”(巨型巖石行星)和“迷你海王星”(比太陽(yáng)系中存在的氣體行星還要小)在我們星系的其他地方更為常見(jiàn)。因?yàn)檫@些行星只能被它們主恒星發(fā)出的微弱光線所看到，所以關(guān)于它們的許多事情仍然很神秘。如表面是由什么構(gòu)成？它們有磁場(chǎng)嗎？事實(shí)證明，這些問(wèn)題的答案在很大程度上取決于超壓核心中的巖石和鐵的行為。

當(dāng)代科學(xué)的局限

加拿大多倫多大學(xué)(University?of?Toronto)行星科學(xué)家戴安娜·瓦倫西亞(Diana?Valencia)在美國(guó)物理學(xué)會(huì)(American?Physical?Society,?APS)?會(huì)議上呼吁礦物物理學(xué)家探索這些奇異的系外行星材料。這種按比例放大方法的問(wèn)題是，你不能僅僅通過(guò)成倍增加來(lái)真正理解鐵在10倍地核壓力下的行為。在這些巨大的壓力下，化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生了根本性的變化。加州大學(xué)洛杉磯分校的理論礦物物理學(xué)家Lars?Stixrude說(shuō)：我們希望在超級(jí)地球內(nèi)部發(fā)現(xiàn)不存在于地球或自然界其他任何地方的晶體。

這將是只有在非常高的壓力下才存在原子的獨(dú)特排列。這些不同的排列發(fā)生了，因?yàn)榫薮蟮膲毫母旧细淖兞嗽咏Y(jié)合的方式。在地球表面，甚至在地球內(nèi)部深處，原子之間的連接僅僅依靠外層電子。但在超地球壓力下，離原子核更近的電子參與其中，完全改變了材料的形狀和性質(zhì)。這些化學(xué)性質(zhì)可以影響整個(gè)行星的行為。例如，科學(xué)家們知道超級(jí)地球會(huì)捕獲大量的熱量。但他們不知道這個(gè)數(shù)字是多少，而這個(gè)問(wèn)題的答案對(duì)這些行星的火山和板塊構(gòu)造的理解有重大意義。

在地球內(nèi)部的壓力下，較輕元素與鐵芯混合在一起，影響地球的磁場(chǎng)——但在較高的壓力下可能不會(huì)發(fā)生這種情況。甚至超級(jí)地球的物理尺寸也取決于其核心化合物的晶體結(jié)構(gòu)。但是，沒(méi)有這類行星來(lái)近距離研究我們自己的太陽(yáng)系，科學(xué)家們不得不求助于基本的物理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)來(lái)回答這類問(wèn)題。但這些計(jì)算往往會(huì)得出開(kāi)放式的答案，這些壓力和溫度超出了我們今天大多數(shù)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)的能力。

在地球上模擬超級(jí)地球

在地球上，最極端的壓力實(shí)驗(yàn)包括粉碎兩顆工業(yè)鉆石尖端之間的微小樣品。但是這些鉆石在達(dá)到超地球壓力之前很長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)破碎，為了克服鉆石的局限性，物理學(xué)家們正在轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)由普林斯頓大學(xué)的礦物物理學(xué)家湯姆達(dá)菲(Tom?Duffy)和團(tuán)隊(duì)完成。這些實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了更多的超類地壓力，但只持續(xù)了不到一秒鐘。Duffy，瓦倫西亞發(fā)言的APS會(huì)議的主席說(shuō)：這個(gè)想法是，用一個(gè)非常高功率的激光照射一個(gè)樣品，然后快速加熱樣品表面，然后吹掉一個(gè)等離子體。樣品的碎片突然加熱，沖出表面，產(chǎn)生了穿過(guò)樣品的壓力波，這就像火箭飛船效應(yīng)。

這些樣本很小，幾乎是扁平的，表面積只有一毫米平方。整個(gè)過(guò)程持續(xù)幾納秒。當(dāng)壓力波到達(dá)樣品背面時(shí)，整個(gè)東西就會(huì)破碎。但是通過(guò)對(duì)這些短暫脈沖的仔細(xì)觀察，達(dá)菲和同事們已經(jīng)算出了鐵和其他分子在前所未有的壓力下的密度，甚至化學(xué)結(jié)構(gòu)。目前仍有許多懸而未決的問(wèn)題，但該領(lǐng)域的知識(shí)狀況正在迅速改變。例如，關(guān)于超級(jí)地球結(jié)構(gòu)的第一篇論文已經(jīng)過(guò)時(shí)了，因?yàn)槲锢韺W(xué)家已經(jīng)獲得了有關(guān)地球內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的新信息?；卮疬@些問(wèn)題很重要，因?yàn)樗鼈兡芨嬖V我們遙遠(yuǎn)外星世界是否具有板塊構(gòu)造、流動(dòng)巖漿和磁場(chǎng)等特征，它們是否能支持生命存在。

博科園-科學(xué)科普｜文:?Elizabeth?Howell/Live?Science/美國(guó)物理學(xué)會(huì)(American?Physical?Society,?APS)?會(huì)議

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