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天王星、海王星千年「鑽石雨」 科學家成功模擬

2017-08-24 16:51科技新報

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【文‧Emma Lin】

千年以來,朝著天王星和海王星核心下沉的「鑽石雨」真的存在!過去科學家已假設天王星及海王星內部有固態鑽石,只是一直沒能從實驗中模擬出和天王星、海王星相同的嚴苛環境。如今,一個科學家團隊終於首次從實驗室中模擬出這兩顆行星的高溫高壓環境,並親眼見證了鑽石形成。

在太陽系中,木星、土星、天王星、海王星歸類為氣態巨行星(低密度大型行星,由氫、氦組成),而天王星和海王星被另稱為「冰巨行星」。

天王星大氣的主要成分是氫和氦,這層大氣佔了天王星半徑的 20%;中間富含水、氨、甲烷等結成的高密度物質,科學家稱為「冰」。值得提醒的是,這裡的「冰」並不是我們想像中的冰塊,而是由水、氨和其他揮發性物質組成的高溫稠密液體,溫度高達攝氏好幾千度;中心則是很小的岩石核。

(首圖來源:SLAC 實驗室)
(首圖來源:SLAC 實驗室)
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海王星的大氣層則有 85% 是氫氣、13% 是氦氣、2% 是甲烷,以及少量氨氣,科學家推測,海王星可能有一個固態核,表面覆蓋一層冰。

過去科學家假設過這 4 大巨行星會下「鑽石雨」,但由於土星和木星的大氣環境很極端,就算在大氣中形成鑽石,下降過程中也會融化成鑽石海,只能推測天王星與海王星的內部因溫度不到鑽石熔點,所以固態鑽石可能存在。現在,科學家終於首次在實驗室模擬的高壓高溫實驗中,觀察到海王星和天王星深處的鑽石形成過程。

研究人員在美國 SLAC 國家加速器實驗室(註)裡,使用可產生世界上最強烈 X 射線的雷射設備(LCLS)快速加熱一塊由聚苯乙烯(碳氫化合物)構成的材料表面,使其膨脹並產生 2 次衝擊波。當衝擊波相遇時,會產生約 5,000K 的溫度和 150GPa 的壓力──與天王星、海王星內部約 10,000 公里處的環境相似。

這 2 項高溫高壓條件,足以使聚苯乙烯原子間的鏈結分解成氫原子和碳原子,緊接著研究人員觀察到,碳在極短時間內被壓縮形成了堅硬鑽石。

雖然這個實驗過程僅維持 50 飛秒(1 飛秒=10 的 -15 次方秒)、鑽石大小只有幾奈米,但確實說明了這樣的環境下有利形成閃閃發亮的鑽石。研究人員強調,天王星及海王星上的鑽石會更大,可能重達幾百萬克拉,並在過去幾千年的時間逐漸通過液態地函,如「鑽石雨」一樣下沉至岩石核心附近。

這項發表於《自然天文學》雜誌的研究,或許還能幫助解開另一道謎題:為何天王星和海王星的溫度會比大多數模型預測的還熱。研究主要作者 Dominik Kraus 說,因為鑽石比周圍的碳氫化合物介質還重,所以在下沉過程中因摩擦產生熱量,使得溫度升高。

註:SLAC 國家加速器實驗室,原名史丹佛線性加速器中心,是美國能源部所屬的國家實驗室,在能源部的方案下由史丹佛大學指揮運作,主要研究方向包括:運用電子束進行基本粒子物理的實驗及理論研究、原子物理、固態物理、使用同步輻射光源的化學、生物及醫學研究。

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