冰冷星球上的“钻石雨”:解开磁场之谜

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该图显示了行星内部的钻石雨,其中包括钻石沉入周围的冰层。在行星内部更深处,压力和温度不断增加。即使在极热地区,由于极高的压力,冰仍然存在。图片来源:欧洲 XFEL / Tobias Wüstefeld

一项新的研究表明,海王星和天王星等冰冷行星上的“钻石雨”是在比以前认为的更不极端的条件下形成的。这种现象会影响行星的内部动力学和磁场,也可能发生在较小的系外行星上。

一项新的实验表明,这种奇异的降水是在比以前认为的更低的压力和温度下形成的,并可能影响海王星和天王星的不寻常磁场。

由美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员领导的一个国际研究小组对海王星和天王星等冰冷行星上钻石的形成有了新的见解。科学家认为,在它们形成后,这些钻石会因重力而慢慢沉入行星内部更深处,从而产生来自更高层的宝石的“雨”。

 

1月8日发表在《自然天文学杂志上的研究结果表明,这种“钻石雨”的形成压力和温度比以前认为的还要低,并为海王星和天王星复杂磁场的起源提供了线索。

对行星磁场的见解

“冰冷星球上的’钻石雨’为我们提供了一个有趣的谜题,”领导这项研究的SLAC科学家Mungo Frost说。“它提供了一个内部的加热源,并将碳输送到地球更深处,这可能会对它们的特性和成分产生重大影响。它可能会在这些行星上发现的导电冰内启动运动,影响其磁场的产生。

实验与观察

在SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)X射线自由电子激光器(XFEL)进行的早期工作中,科学家们能够观察到在高压条件下形成的“钻石雨”,证实了钻石在冰冷行星上形成的可能性,这些行星主要由水、氨和碳氢化合物组成。他们后来发现,氧气的存在使钻石更有可能形成,使钻石能够在更广泛的条件下和更多的行星上形成和生长。

以前,高压和高温是通过用高功率激光冲击压缩碳氢化合物产生的,这只能使条件保持几纳秒。在这项在德国欧洲X射线自由电子激光器上进行的新实验中,该团队使用不同的方法研究了比其他实验更长的时间尺度上的反应。

在这项实验中,研究人员将由碳氢化合物聚苯乙烯作为碳源制成的塑料薄膜置于这些冰冷行星内部深处的极端压力和温度下。高压是通过使用“金刚石砧单元”在两颗钻石的尖端之间挤压薄膜而产生的,其中砧座的功能就像一个微型虎钳,几乎可以无限期地保持压力。然后,将胶片暴露于欧洲XFEL产生的多剂量高能X射线中,将其加热到2200摄氏度以上,模仿这些行星深处的极端条件。在这些极端条件下,钻石从薄膜中形成,这一过程以与行星内部相同的方式发生。

接下来,研究人员使用欧洲XFEL产生的X射线脉冲来观察钻石在实验过程中形成的时间和方式。观察到钻石的压力和温度使研究人员能够预测它们在行星内部形成的深度。

磁场之谜

通过在更长的时间尺度上研究加热的碳氢化合物,研究人员发现钻石的形成发生在比以前假设的更低的压力和温度下。就天王星和海王星而言,这意味着钻石雨的形成深度可能比最初想象的要浅,并且可能对它们不寻常的磁场的形成产生更大的影响。

与地球磁场不同,这些冰冷行星周围的磁场不对称,也不会从每个极点延伸出来。这些特性表明,这些场不是在行星核心中产生的,而是在一层薄薄的导电材料中产生的。

钻石颗粒形成后,当它们从行星的外层下降到内层时,会拖曳气体和冰,从而产生冰流。新的结果表明,钻石在导电冰层上方形成,钻石在下落时会搅动导电冰层。产生的电流充当驱动行星磁场的发电机。

对系外行星的影响

研究结果还表明,在比海王星和天王星小的气态行星上可能会出现钻石雨 – 所谓的“迷你海王星” – 这是太阳系外最常见的系外行星类型之一。

接下来,研究人员正在计划类似的实验,这将使他们更接近于了解钻石雨是如何形成并影响其他行星的特性的。

“这一突破性的发现不仅加深了我们对当地冰冷行星的了解,而且对理解太阳系外系外行星的类似过程具有重要意义,”SLAC的高能量密度主任Siegfried Glenzer说。

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