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天王星和海王星的逆天功能:只有1%的碳元素,也能压缩成钻石

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科学宇航员 2021-02-22 12:49

海王星和天王星是太阳系中的气态巨行星,同时也是八大行星中距离太阳最遥远的两颗行星。天文学家在过去长期的研究中发现,海王星和天王星上存在着超强高压,能轻易把碳原子压成钻石。然而从目前对两颗行星的探测情况来看,它们含有的碳元素仅有1%左右。

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如果以地球为参考对象的话,那么行星要形成钻石至少需要碳元素达到15%左右,很明显天王星和海王星都达不到,因此长期以来科学家们认为这两颗行星上并没有人们所期待的钻石堆积如山。

然而根据美国《Science Alert》科学期刊6月29日的报道,美国斯坦福直线加速器中心的一支研究团队发布最新研究成果,该成果表示天王星和海王星内部可能在下“钻石雨”。

钻石是如何形成的?

学过中学化学的朋友应该知道,钻石和金刚石在本质上都是结晶碳。最早对钻石本质进行解密的是法国化学家拉瓦锡,他在1772年通过凸透镜加热钻石的方法,使其在氧气中成功燃烧,然后通过测验发现产物中存在二氧化碳,从那时候起钻石的本质就被揭开了。即使如此,它依然凭借着其稀有性和坚硬性,成为了绝大多数人追求的物质。

钻石的形成首先需要足够的碳元素,然后先在特定的温度、压力等环境条件下转化为石墨,石墨再继续在更高温、更高压的环境中结晶形成钻石。

经过科学家们的研究,理论上形成钻石的压力至少要达到4.5Gpa,这相当于在地下200公里的环境。其次是温度至少要达到1100摄氏度,这种温度条件在工业上还是可以创造出来的。

为何两颗行星的碳元素不足,还能形成钻石?

对此该研究团队的等离子物理学家麦克·邓恩表示,虽然海王星和天王星上的碳元素不足,但是它们的碳氢化合物比较充足,可以利用分解碳氢化合物的方法来获得单一碳元素,碳元素在行星内部高温高压的环境下被压缩成钻石,并因为密度比周围的物质高而不断往下坠。

该研究团队不仅在前人研究的基础上提出了全新的假设,而且对假设进行了实验证明。研究人员利用斯坦福直线加速器实验室里的X射线激光对“钻石”的形成进行了精确的测量,得到的结论是两颗行星内部的碳确实能够直接转化为钻石。

为什么要对海王星和天王星进行探究?

由于海王星和天王星距离地球十分遥远,因此能够探测这两颗行星的探测器并不多,目前就只有旅行者二号。而且旅行者二号也不是专职对两颗行星进行探测,它只是在罗国的时候进行了短期的探测,然后就飞走了。

因此人类对这两颗行星的了解比对木星、土星的了解要少得多,这意味着这方面存在着等待人类去探索的广阔空间。

更重要的是,根据美国宇航局的研究发现,类似天王星、海王星这样的“冰巨星”在太阳系外更为常见,它们在银河系里的常见度是类似木星的行星的十倍左右。因此如果能够对海王星和天王星的内部有所了解,那么科学家们则可以在不让探测器飞出太阳系的情况下对系外行星有更深入的了解。

什么想法诱导了新发现的产生?

起初科学家们对海王星和冥王星不抱太多希望,是因为这两颗行星上的碳元素实在是太少了。但后来他们通过研究发现,它们的核心可能存在着水、甲烷和氨等物质,这为该研究小组的想法提供了基础条件。而且已经有实验证明,在一定的压力和温度下,甲烷可以作为原料转化为钻石。

之后德国物理学家克劳斯使用X射线衍射证明了甲烷确实能够转化成钻石,因此该研究团队获得了启发,决定将该研究继续深入下去。团队中的研究人员克劳斯表示,X射线衍射实验为他们新实验模型的搭建提供了一些重要参数,这也是后续研究能够顺利进行的重要基础。

研究团队如何进行模拟气态行星内部的钻石形成过程?

实验开始后,实验人员利用光学激光脉冲照射聚苯乙烯,使其产生强劲的冲击波,冲击波打在材料上让材料立马升温到4727摄氏度,同时将大大提高了环境压力。研究人员克劳斯表示,实验中所产生的气压相当于将250头非洲象放在大拇指指甲盖上,其气压之高难以想象。

之前的实验普遍使用X射线衍射来探测材料的内部结构,但这种方法一般只对类似甲烷这种呈现晶体结构的物质有用,对非晶体结构的物质则很难呈现出完整的图片。研究人员为了解决该问题,采用了另一种方法来观测聚苯乙烯电子的散射情况,实验最终呈现出了较好的观察结果。

该研究结果的意义重大,还可延伸到对木星和土星的研究

以上模拟实验证明,海王星和天王星的内部确实可能存在着下“钻石雨”的情况,这是首次有理论证明即使行星的碳元素不足,也有可能形成钻石,扩展了科学家们思考行星问题的思路。同时也扩展了科学家对这两颗行星的认知,在得到一些真实的探索和研究数据之前,一切皆有可能。

此外,克劳斯还表示在实验室里模拟出的行星内部的极端环境条件,同样可用于研究木星和土星的内部情况。这两颗气态行星的大气中也存在大量的氢气和氦气,但大气层下的世界则还是一片未知的世界。或许未来可以通过该发现的研究方法来探索木星和土星的内部情况,甚至是形成过程和演化历史。

宇宙中的“钻石星球”,距离地球约50公里

钻石在地球上属于稀有度极高的物质,原钻经过人工打磨后价格居高不下,目前市面上钻石的价格至少在一克拉上万块。而且钻石越大,每克拉的价格就越高,因此往往会出现一些十克拉不到的钻石价格就去到了上百万。正因为钻石在地球上的价格很高,因此不少网友打起了其他星球的主意。

如果能够在宇宙中发现更多的“钻石”星球,等到人类航天技术发展到足够高的水平时,便可以对它们进行开采了。这样的想法还真不是白日梦,至少科学家们已经在宇宙中发现了货真价值的“钻石星球”。这颗编号为 BPM37093的星球是美国天文学家在2010年发现的,经过研究其核心由超高密度的结晶碳组成,也就是我们所说的钻石。

根据天文学家的观测和研究数据显示,BPM37093是一颗白矮星,经推测它应该是一颗比太阳稍微大一些的恒星结束生命之后形成的,算是宇宙中较为稀有的类型。它距离地球大约50光年,这个距离虽然距离地球并不近,但是相比起那些动不动就距离上千光年的类地行星来说,BPM37093还是在人类未来的探索蓝图内。

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