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2020
06-30

钻石在宇宙中有多普遍?海王星下钻石雨,科学家在地球复制此过程

各大品牌的钻石钻戒怎么选?

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钻石恒久远,一颗就破产。在地球上,钻石可以说是和普通人息息相关的最昂贵物质之一,除了其中的商业原因之外,还与其储量有着一定的关系。所谓物以稀为贵,也正是这个道理。

不过,在宇宙中,钻石就不算是什么稀缺资源了。科学家告诉我们,宇宙中很多天体甚至连天空中都在下钻石雨。这样的天体说远也不是非常远,在我们的太阳系内,就有两颗天体拥有这样令人羡慕的天气,那就是天王星和海王星。

很多科学家对此都非常好奇,也感到不可思议。但是,它们又是如此遥不可及,连光都需要几个小时才能在地球和它们之间往返一次。自从1989年旅行者2号探测器短时间飞掠这两颗行星,进行了非常有限的观测之后,我们就再也没有近距离对它们进行过研究,因此诡异的钻石雨也始终是科学家心头的未解之谜。

最近,终于有人找到了方法,向我们介绍了这其中的过程。

位于美国旧金山湾区的SLAC国家加速器实验室有一群科学家,他们利用直线加速器相干光源(LCLS)的X射线激光器对这个神奇的物质转化过程进行了迄今为止最精确的一次研究。结果显示:冰巨星上的碳可以直接转化为钻石,就是这么简单粗暴。他们在实验室中模拟还原了钻石雨的过程,才让真相大白于天下。

我们知道,天王星和海王星的主要成分是氢和氦,同时还有少量的甲烷。正是由于这些甲烷,才让两颗冰巨星呈现出迷人的蔚蓝色。如果你能够穿越大气层进入到它们的内部,会发现一颗由水、甲烷和氨组成的温度极高、密度极大的致密液体包裹在行星核心周围。

早在几十年前,就有科学家计算发现:如果有足够高的温度和压力,甲烷可以被分解并形成钻石。而冰巨星的内部结构,正符合这样的要求。亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心(HZDR)的物理学家多米尼克·克劳斯(Dominik Kraus),在几年前就曾经领导SLAC的团队利用X射线衍射对这个过程进行了验证。最近,他和他的团队再一次取得了新的进展。

实际上,想要在实验室里真正模拟出冰巨星的内部环境是难度极高的一件事。他们必须要有足够强大的仪器,LCLS提供了这样的能力。同时,他们也需要找到合适的化学物质来产生冰巨星内部的组成物质,为此他们选择了聚苯乙烯[化学式(C8H8)n]代替了甲烷。

在完成了准备工作后,他们正式开始模拟海王星的内部结构。

首先就是给聚苯乙烯施加足够的温度和压力,利用LCLS释放的极光在聚苯乙烯形成冲击波,将它升温到约5000开尔文。在压强方面,他们将其提高到了150万巴,克劳斯形容说:“这相当于大约250只非洲象的重量集中在拇指甲表面所产生的压力。”科学家指出:这大概就是海王星表面以下10000公里处的环境

(图片说明:实验设备示意图)

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在这样的环境下,甲烷的“替身”聚苯乙烯已经无法稳定存在,最终被分解为碳原子和氢原子。LCLS的负责人、等离子体物理学家麦克·唐恩(Mike Dunne)形象地比喻说:“这就像让蛋黄酱分离回油和醋一样。”

接下来,就是检验形成的物质。在以往的实验中,他们都是使用X射线衍射的方法来检验。不过,这个方法比较适用于具有晶体结构的物质,对于非晶体分子来说效果很差,所以得到的画面也不完整。而在最新的实验中,他们采用了新的方法,观测X射线对聚苯乙烯中电子的散射作用。通过这个方法,他们不仅检测到了碳原子是如何形成金刚石的,而且还观测到了化学变化的其余部分,如氢原子结合为氢分子,整个过程几乎没有剩余的碳原子。

(图片说明:天王星与海王星)

克劳斯指出:“我们现在知道,在冰巨星的内部环境下,碳在分解出来后几乎只形成金刚石,并不会经过流体的过渡形式。”

有趣的是,这次发现还很有可能帮助我们解决一些其他的难题。比如,科学家发现海王星内部拥有一个热源,导致它自身产出的热量甚至达到了它从太阳处接收到能量的2.6倍。虽然海王星的主要成分是氢和氦,但是它的压力和温度绝对不足以导致核聚变的发生。那么,这个热量又是从何而来的呢?

有了新的发现,科学家认为:由于钻石的密度比周围环境更大一些,那么当它们像疾风骤雨一般落入行星内部时,会与周围环境产生摩擦,通过这个摩擦将重力势能转化为热能,导致海王星被加温。

(图片说明:海王星内部结构)

同时,更让人兴奋的是,这个方法不仅仅适用于这一次研究或者这两颗行星,还可以对其他气体行星进行分析。克劳斯自豪地说:“这种方法将会让我们能够探测到其他方法所无法呈现的有趣过程。举例来说,我们将可以看到木星和土星等气体巨星内部发现的氢和氦是如何在这些极端环境下合成与分解的。这是一种研究行星以及行星系统形成史的新方法,同时也将帮助我们进行未来核聚变能源形式的实验研究。”

不仅如此,科学家还指出:在广袤的宇宙中,像天王星和海王星这样的冰巨星十分常见。根据NASA的数据,在系外行星中,类海王星天体比类木星天体要多10倍左右。我们有理由相信,这样的系外行星上也有这样的钻石雨,这意味着宇宙中的钻石可能会非常多。

另一方面,这也提醒我们,天王星和海王星具有极高的研究价值,我们可以通过对它们的观测,以获得更多关于系外行星的信息。如果想要更加了解这两颗冰巨星的秘密,我们就必须知道它们蔚蓝色的表面大气之下到底隐藏着什么。

目前,NASA正在考虑向天王星或者海王星发射探测器,不过目前还犹豫不决。我们都希望他们或者世界上其他机构能够尽早让人类的视野早日回到冰巨星上,让我们真正地了解这样的冰冻世界。也许宇宙中大量系外行星的秘密,就要通过它们来解开了。

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作者:钻石人生
钻石人生