天王星及海王星的核心深处,可能下着钻石雨。现在天文学家借由新方法实证,假设提到这些冰巨行星地表下数千公里处,高温及高压会使碳氢化合物键结断裂,碳会压缩成钻石,并向行星更核心处前进。
天王星及海王星是太阳系最不为人知的行星,距离远得令人却步,人类历史仅一艘太空船“航海家2号”曾接近它们,且只是短暂飞掠,非长期性专门任务。
这类“类海行星”在广阔的银河系非常常见,据美国太空总局资料,“类海系外行星”比“类木系外行星”还普遍10倍,因此,了解太阳系的冰巨行星对全银河系行星认识也非常重要。在宁静的蓝色外表下究竟正发生什么事,是科学家急迫追求的答案。
新实验使用了SLAC国家加速器实验室的“线性粒子加速器相干光源”(Linac Coherent Light Source,LCLS)X射线激光束,针对钻石雨的发生过程进行最精准的测量,并直击碳转变成钻石晶体的过程。
LCLS负责人、电浆物理专家Mike Dunne进一步解释:“这项研究提供非常难以模拟或计算的现象,两种元素的互溶性及混合时的结合方式。也看见两种成分(碳及氢)如何分离,就如同把美乃滋分开变成油和醋。”
几十年前计算及实验就说明,在足够压力及温度下,甲烷可分解成碳与氢,最终在压力下结晶成钻石,而当地球要复制过程挑战非常大,LCLS正好可满足这条件,而甲烷这种易燃物质也会增加实验的风险,故研究团队采用另一种碳氢化合物──“聚苯乙烯”代替甲烷。
实验第一步是加热及加压材料,温度达5,000K(约摄氏4,727度)、压力150万大气压(相当于250头大象重量施加在一个人的拇指指甲上),第二步则是过程成像,X射线绕射是用来成像晶体结构的技术,但非晶体分子就不那么有效了(烯及烷属于链状结构)。研究团队使用另一种方法,测量X射线如何散射聚苯乙烯的电子,这不仅能观察到碳转化成钻石的过程,也能观察氢发生的状况。
这次科学家知道碳在过程中会直接形成钻石,没有流体过渡形态,这同时也解释了一些难题,海王星发布的能量是太阳给予能量的2.6倍,钻石如果就这样维持高密度状态潜入行星核心,可能会发布重力位能转化成热能发布。这项新技术允许科学家利用另一种方法“探测”太阳系行星的内部,木星及土星的核心化学反应也是可以研究的过程,论文发布在《自然─通信》期刊。