- 產(chǎn)品
- 供應(yīng)
- 公司
- 新聞
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
不過(guò)，開(kāi)展金剛石對(duì)頂砧實(shí)驗(yàn)頗具挑戰(zhàn)性：在高溫高壓下，氫氣會(huì)擴(kuò)散到金剛石內(nèi)部，可能導(dǎo)致砧體發(fā)生毀滅性破裂。為最大限度減少氫氣擴(kuò)散，霍恩團(tuán)隊(duì)并未采用持續(xù)加熱的方式，而是施加了數(shù)千次微秒級(jí)激光脈沖，使浸沒(méi)在氫氣中的微米級(jí)硅酸鹽與鐵顆粒溫度達(dá)到2250至4000開(kāi)爾文。由于實(shí)驗(yàn)體系的尺度極小且溫度極高，該系統(tǒng)很可能達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)，這意味著反應(yīng)的進(jìn)程不受時(shí)間影響。 研究人員的核心研究結(jié)果聚焦于一系列產(chǎn)水反應(yīng)：硅酸鹽熔體中的二氧化硅（SiO?）與鐵、氫氣發(fā)生反應(yīng)，生成鐵硅合金、鐵氫合金、硅烷（SiH?）以及水。霍恩團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了不同硅酸鹽礦物參與的反應(yīng)，包括橄欖石（(Mg, Fe)?SiO?）與二氧化硅（SiO?）的反應(yīng)。 目前，鐵在亞海王星硅酸鹽部分與包層的化學(xué)反應(yīng)中所起的作用尚不明確，因?yàn)槠毡橛^(guān)點(diǎn)認(rèn)為，這類(lèi)行星中的鐵大部分會(huì)被“封存”在行星深部?。但研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，即使是二氧化硅與氫氣之間更簡(jiǎn)單的反應(yīng)，同樣能夠生成水。 未來(lái)研究的一個(gè)明確方向是加入更多化學(xué)成分：已有觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，一顆亞海王星的大氣層中存在二氧化碳和甲烷?，另一顆則檢測(cè)到一氧化碳3。這些化合物中的碳元素，或許在包層-行星交界處的化學(xué)反應(yīng)中扮演著重要角色。 霍恩團(tuán)隊(duì)計(jì)算得出，若亞海王星中所有可利用的硅酸鹽都與氫氣發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)產(chǎn)水反應(yīng)形成的行星，其水的質(zhì)量占比可達(dá)16%至29%。這一比例遠(yuǎn)高于低溫實(shí)驗(yàn)?和此前計(jì)算?得出的估算值。 但問(wèn)題在于，行星各組成部分之間實(shí)際會(huì)發(fā)生多少化學(xué)反應(yīng)呢？要理解這一問(wèn)題為何是行星科學(xué)中至關(guān)重要的基礎(chǔ)性問(wèn)題，我們可以結(jié)合太陽(yáng)系內(nèi)的例子思考：若地球中相對(duì)較少的水分能與厚重的鐵核完全達(dá)到平衡（這一過(guò)程涉及的反應(yīng)路徑與霍恩團(tuán)隊(duì)研究的不同），那么地球早就會(huì)變得干旱缺水，成為一片荒漠。 霍恩及其同事通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，試圖厘清亞海王星內(nèi)部高壓化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程。首先，亞海王星的產(chǎn)水能力取決于其包層的初始質(zhì)量——包層質(zhì)量決定了包層底部的溫壓條件，以及可用于化學(xué)反應(yīng)的氫氣量。因此，系外行星能夠大量產(chǎn)水的條件可能十分苛刻。
亞海王星內(nèi)部通過(guò)高壓化學(xué)反應(yīng)生成水的不同情景 銀河系中最常見(jiàn)的行星類(lèi)型是亞海王星。這類(lèi)行星與宿主恒星距離過(guò)近，形成時(shí)本無(wú)法凝結(jié)出水，但有證據(jù)表明部分亞海王星的大氣層富含水分。對(duì)亞海王星的普遍建模結(jié)構(gòu)為：鐵合金核心外包裹著一層由硅酸鹽（含硅和氧的物質(zhì)，常以SiO?離子形式存在）構(gòu)成的巖漿“海洋”，最外側(cè)是一層以氦和氫為主的氣態(tài)包層。霍恩等人?的研究發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽與氫氣在高壓下發(fā)生反應(yīng)可生成水和硅烷（SiH?），他們認(rèn)為這一反應(yīng)或能促使富水亞海王星形成。研究人員還探討了以下幾種情景： a. 在熱梯度和密度梯度驅(qū)動(dòng)的流體流動(dòng)（即對(duì)流）作用下，反應(yīng)產(chǎn)物可能會(huì)在包層和巖漿海洋中傳輸； b. 另一種可能是，反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)形成一層阻隔層，抑制后續(xù)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生（即分層現(xiàn)象）。 對(duì)流與分層之間的平衡狀態(tài)，決定了亞海王星通過(guò)高壓反應(yīng)可生成的水量。 此外，行星的演化過(guò)程與動(dòng)力學(xué)特征也會(huì)影響各類(lèi)化學(xué)反應(yīng)的速率。亞海王星的各組成部分（如鐵、硅酸鹽、富水流體以及氫氦混合物）密度不同，因此往往會(huì)形成不同的分層。但在行星的熔融層和包層中，通常會(huì)發(fā)生“對(duì)流”現(xiàn)象——溫度較高或密度較低的物質(zhì)上升，溫度較低或密度較高的物質(zhì)下沉——這一過(guò)程可能會(huì)將不同組成部分混合在一起。 對(duì)流作用可將水和硅烷向上輸送至包層中。霍恩團(tuán)隊(duì)還提出，在他們所研究的實(shí)驗(yàn)條件下，包層中的氫氣會(huì)溶解到硅酸鹽巖漿海洋中，并通過(guò)對(duì)流被帶入硅酸鹽層，因此產(chǎn)水反應(yīng)或許會(huì)在行星深部持續(xù)進(jìn)行。不過(guò)也有研究認(rèn)為，反應(yīng)產(chǎn)物可能會(huì)在硅酸鹽巖漿與包層之間形成一層阻隔層1?。這種分層現(xiàn)象可能會(huì)減緩產(chǎn)水反應(yīng)的速率；若形成的阻隔層密度高于其上方物質(zhì)，還會(huì)阻礙對(duì)流的發(fā)生。霍恩團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)流模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，亞海王星內(nèi)部由對(duì)流驅(qū)動(dòng)的混合過(guò)程具有溫度依賴(lài)性：當(dāng)溫度低于3500開(kāi)爾文時(shí)，會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象；而溫度更高時(shí)，水則會(huì)混合到包層中。但其他模擬研究卻顯示，當(dāng)溫度高于2500開(kāi)爾文時(shí)?，包層底部附近會(huì)形成一層富含硅烷和水的區(qū)域，這會(huì)抑制對(duì)流混合。 天文學(xué)家該如何尋找證據(jù)，證明某些行星能通過(guò)高壓化學(xué)反應(yīng)自行生成水呢？歸根結(jié)底，反應(yīng)產(chǎn)物能否被觀(guān)測(cè)到，關(guān)鍵取決于對(duì)流混合與分層作用之間的平衡。霍恩團(tuán)隊(duì)計(jì)算認(rèn)為，在包層-行星交界處生成的部分水會(huì)混合到包層中，但也有研究提出，此類(lèi)行星中多達(dá)95%的水會(huì)溶解到巖漿海洋和鐵核中11，因此這些行星可能無(wú)法被識(shí)別為“富水行星”。目前，亞海王星溫壓環(huán)境下硅烷的密度尚未確定，但可能低于水的密度——若情況屬實(shí)，硅烷會(huì)更容易混合到包層中。然而，通過(guò)光譜法檢測(cè)硅烷存在較大難度12。因此，若能在某顆亞海王星的大氣層中同時(shí)觀(guān)測(cè)到大量硅烷和水，或許是證明部分行星可通過(guò)高壓化學(xué)反應(yīng)生成水的唯一途徑。 霍恩團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果凸顯了行星內(nèi)部長(zhǎng)期存在的一個(gè)未知問(wèn)題：對(duì)流混合與分層作用的相對(duì)程度。對(duì)于亞海王星而言，水和硅烷究竟會(huì)混合到包層中、溶解到下方的硅酸鹽巖漿里，還是在硅酸鹽與包層的界面處形成中等密度的分層？無(wú)論如何，該研究證實(shí)了在靠近宿主恒星的天體中也能生成水和硅烷，這為行星科學(xué)家提供了一種新機(jī)制，可用于解釋銀河系中最常見(jiàn)行星的化學(xué)成分與動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。
