最新实验证实:天王星和海王星正下着钻石雨

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美国SLAC国家加速器实验室利用Linac相干光源X射线激光器证实,在海王星和天王星的深处,可能下着钻石雨。这些冰巨星表面下数千公里的高温和高压会使碳氢化合物分裂,碳被压缩成金刚石,并向行星核心更深处沉去。

新实验是迄今为止最精确的实验,它证实了碳直接转变为结晶金刚石的过程。

海王星和天王星是太阳系中的冰巨星球,也是我们最不了解的行星。它们的距离远得令人望而却步,只有旅行者2号太空探测器曾经靠近过它们。

但在更广阔的银河系中,冰巨星极为常见。美国宇航局的数据显示,类似海王星的系外行星是类似木星的系外行星的10倍。

因此,了解太阳系的冰巨星对于了解整个银河系的行星至关重要。

海王星和天王星的大气层主要由氢和氦组成,还有少量的甲烷。在这些大气层下面,有一种由水、甲烷和氨等 "冰 "物质组成的超热、超密度流体包裹着行星的核心。

之前的计算和实验表明,在足够的压力和温度下,甲烷可以被分解成钻石。

最新实验证实:天王星和海王星正下着钻石雨-第1张图片-IT新视野

德国德累斯顿·罗森多夫赫尔姆霍茨中心的物理学家多米尼克·克劳斯领导的一项实验利用X射线衍射来证明这一点。现在,克劳斯和他的团队将他们的研究又向前推进了一步。

在地球上复制巨行星的内部是很有挑战性的任务。科学家们需要一些相当特殊的设备,这就是Linac相干光源X射线激光器。此外,还需要一种材料来复制巨行星内部的东西。为此,该团队使用碳氢化合物聚苯乙烯(C8H8)来代替甲烷(CH4)。

第一步是对材料进行加热和加压,以复制海王星内部约10000公里深度的环境条件:光学激光脉冲在聚苯乙烯中产生冲击波,将材料加热到约5,000开尔文(4,727摄氏度)它还会产生强烈的压力。

克劳斯说:“我们产生了大约150万巴的压力,这相当于大约250头非洲大象的重量在拇指甲表面所施加的压力。”

最新实验证实:天王星和海王星正下着钻石雨-第2张图片-IT新视野

在之前的实验中,使用X射线衍射然后探测材料。这对于具有晶体结构的材料来说效果很好,但对于非晶体分子来说效果较差,所以画面不完整。在新的实验中,该团队使用了不同的方法,测量X射线如何散射掉聚苯乙烯中的电子。

这让他们不仅能观察到碳转化为金刚石的过程,还能观察到样品的其余部分会发生什么:它分裂成氢气,而且几乎没有剩余的碳。

克劳斯说:“我们现在知道,在冰巨星的环境情况下,碳在分离时几乎只形成钻石,而不会形成流体过渡形式。”

海王星的内部有一些非常奇怪温度现象,它的内部比它应有的温度高得多。事实上,它发出的能量是它从太阳吸收的能量的2.6倍。

如果钻石正雨点般地落入海王星的内部,由于钻石比周围的物质密度更大,它们可能会释放出引力能量,而引力能量会转化为钻石与周围物质之间摩擦产生的热量。

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这个实验表明,我们不需要亲自去往其它星球,可以用实验来 "探测 "太阳系中其他行星的内部。

克劳斯说:“这种技术将使我们能够测量有趣的,难以实地观察的情况。我们能够看到在木星和土星等气体巨行星内部发现的氢和氦元素如何在这些极端条件下混合和分离。这是一种研究行星和行星系统演化历史的新方法,同时也是对未来潜在的核聚变能源形式的支持实验。基于X射线散射的的方法非常有前途,我们的实验正在提供重要的模型参数,而之前,我们只有巨大的不确定性。我们发现的系外行星越多,这将变得越来越重要。”

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