天文學家終於了解海王星怎麼下出鑽石雨

作者 | 發布日期 2020 年 07 月 02 日 8:15 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


天王星及海王星的核心深處,可能下著鑽石雨。現在天文學家藉由新方法實證,假設提到這些冰巨行星地表下數千公里處,高溫及高壓會使碳氫化合物鍵結斷裂,碳會壓縮成鑽石,並向行星更核心處前進。

天王星及海王星是太陽系最不為人知的行星,距離遠得令人卻步,人類歷史僅一艘太空船「航海家 2 號」曾接近它們,且只是短暫飛掠,非長期性專門任務。

這類「類海行星」在廣闊的銀河系非常常見,據美國太空總署資料,「類海系外行星」比「類木系外行星」還普遍 10 倍,因此,了解太陽系的冰巨行星對全銀河系行星認識也非常重要。在寧靜的藍色外表下究竟正發生什麼事,是科學家急迫追求的答案。

新實驗使用了 SLAC 國家加速器實驗室的「線性粒子加速器相干光源」(Linac Coherent Light Source,LCLS)X 射線雷射束,針對鑽石雨的發生過程進行最精準的測量,並直擊碳轉變成鑽石晶體的過程。

LCLS 負責人、電漿物理專家 Mike Dunne 進一步解釋:「這項研究提供非常難以模擬或計算的現象,兩種元素的互溶性及混合時的結合方式。也看見兩種成分(碳及氫)如何分離,就如同把美乃滋分開變成油和醋。」

幾十年前計算及實驗就說明,在足夠壓力及溫度下,甲烷可分解成碳與氫,最終在壓力下結晶成鑽石,而在地球要複製過程挑戰非常大,LCLS 正好可滿足這條件,而甲烷這種易燃物質也會增加實驗的風險,故研究團隊採用另一種碳氫化合物──「聚苯乙烯」代替甲烷。

實驗第一步是加熱及加壓材料,溫度達 5,000K(約攝氏 4,727 度)、壓力 150 萬大氣壓(相當於 250 頭大象重量施加在一個人的拇指指甲上),第二步則是過程成像,X 射線繞射是用來成像晶體結構的技術,但非晶體分子就不那麼有效了(烯及烷屬於鏈狀結構)。研究團隊使用另一種方法,測量 X 射線如何散射聚苯乙烯的電子,這不僅能觀察到碳轉化成鑽石的過程,也能觀察氫發生的狀況。

這次科學家知道碳在過程中會直接形成鑽石,沒有流體過渡形態,這同時也解釋了一些難題,海王星釋出的能量是太陽給予能量的 2.6 倍,鑽石如果就這樣維持高密度狀態潛入行星核心,可能會釋出重力位能轉化成熱能釋出。這項新技術允許科學家利用另一種方法「探測」太陽系行星的內部,木星及土星的核心化學反應也是可以研究的過程,論文發表在《自然─通訊》期刊。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:pixabay