在那些遥远行星的地下深处,究竟发生了什么

2022-04-07 11:23新浪科技 (叶子)

北京时间 4 月 7 日消息,据国外媒体报道,在地球深处发生的物理和化学现象对我们所知的生命形式至关重要。但在那些遥远星球的地下深处,又有哪些力量在发挥作用呢?这些条件又会对星球的宜居性造成怎样的影响呢?

▲ 图 1:地幔主要由硅酸盐矿物质构成。根据对其它岩质行星的密度计算结果,其内部成分也可能以硅酸盐为主。在地球上,硅酸盐在高温高压下经历的结构变化决定了地球内部的不同分层,比如上地幔、下地幔等等。此次研究团队致力于弄清在系外行星环境中会出现哪些新型硅酸盐结构、以及这些结构会有怎样的表现。

卡内基地球与行星实验室利用模拟手段、找到了一种全新的晶体结构,将在很大程度上影响我们对大型岩质行星内部的了解。

地球内部活动对维持适宜生命存活的表面环境至关重要,例如驱使“地球发电机”产生磁场、影响大气组成等等,而在所谓“超级地球”这些大型岩质行星深处,情况甚至会比地球更加极端。

地幔主要由硅酸盐矿物质构成。根据对其它岩质行星的密度计算结果,其内部成分也可能以硅酸盐为主。在地球上,硅酸盐在高温高压下经历的结构变化决定了地球内部的不同分层,比如上地幔、下地幔等等。此次研究团队致力于弄清在系外行星环境中会出现哪些新型硅酸盐结构、以及这些结构会有怎样的表现。

▲ 图 2:利用锗酸镁(该物质与地幔中含量最高的硅酸盐矿物质之一非常相似),该研究团队设法掌握了一些“超级地球”等大型岩质系外行星的矿物学信息。当压力达到地球大气压的 200 万倍时,该物质的物相会发生转变,形成一种独特的晶体结构,其中每个锗原子可以与八个氧原子相结合。这种新型矿物质将对系外行星的内部温度和反应动态产生强烈影响。

几十年来,卡内基实验室的研究人员一直在牵头开展这方面的研究,将各类材料样品置于极端高温和高压之下、试图复制出行星内部环境。但科学家在实验室中复制系外行星内部环境的能力有限。理论模型显示,在质量达地球四倍的岩质行星地幔层的高压之下,硅酸盐会经历几种全新的矿相转变。但我们还从未真正观察到过这种转变过程。

不过,锗可以被视作硅的“完美替身”。这两种元素可以形成相似的晶体结构,但锗发生化学物相转变所需的温度和压力都比硅低得多,因此在实验室中更容易控制和实现。

利用锗酸镁(该物质与地幔中含量最高的硅酸盐矿物质之一非常相似),该研究团队设法掌握了一些“超级地球”等大型岩质系外行星的矿物学信息。当压力达到地球大气压的 200 万倍时,该物质的物相会发生转变,形成一种独特的晶体结构,其中每个锗原子可以与八个氧原子相结合。

最有趣的一点是,这是两种完全不同的元素,在该结构中居然可以相互替代。在正常条件下,大多数硅酸盐和锗酸盐都会形成所谓的四面体结构:一个硅原子或锗原子位于中间,与另外四个原子相结合。但在极端条件下,情况也会有所改变。

人们之前发现,在极端条件下,硅酸盐中的硅可以与六个原子结合、而不仅仅是四个,这已经颠覆了科学家对地球深处的认知,而此次发现这个数字可以进一步增加到八,更是会对我们对系外行星内部动态的理解产生革命性的影响。

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