http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-07-18
在这个实验室中，钻石要经受176道激光的考验
有人认为钻石在海王星上十分常见，甚至有时候会下“钻石雨”
《星球大战》的影迷肯定认得出这个画面，美国国家点火装置被用作企业号星舰中的跃迁引擎核心
实验装置示意图。钻石样品被放在右边的金色圆柱体上。
新浪科技讯 北京时间7月18日消息，据国外媒体报道，钻石是自然界中最为坚硬的物质，据报道，美国科学家利用“世界上最大的激光”，对钻石在极端的压力下受挤压的情况进行了研究。这一压力相当于土星核心的压力，等于地核压力的14倍。该实验在美国国家点火装置(National Ignition Facility)中进行，据发表在《自然》杂志的研究称，实验为了解碳丰富的巨型行星的内部环境提供了线索。
“我们并不知道在木星和土星的内部隐藏着什么，但现在，我们第一次有能力了解在如此极端的压力和温度条件下，物质会以怎样的方式存在。”研究第一作者、来自加州劳伦斯利福摩尔实验室的雷·史密斯(Ray Smith)博士说，“我们的实验重建了巨型气体行星——包括太阳系内和系外——内部的环境。”
“例如，已经有人提出，海王星内部可能存在大量的钻石，这是由于在极端高压下，甲烷会分解并压缩。开普勒空间望远镜已经发现，在我们的银河系中，与海王星体积差不多的行星十分常见。”
我们在夜空中看到的行星和恒星都是在强大的引力作用下形成的，它们内部的原子被紧密压缩在一起。行星内部的极端高压会使物质的特性发生戏剧性的变化。然而对科学家而言，在地球上重现这一环境是巨大的挑战。
美国国家点火装置(NIF)是一座激光型核聚变装置，其建造意图是使用激光达成极大高温高压，施于一小粒氢燃料球上启动核聚变反应。该装置拥有192门激光，可以在十亿分之一秒同时发射击中铅笔头大小的燃料球。在2013年电影《星际迷航：暗黑无界》中，国家点火装置被用来作为企业号星舰中的跃迁引擎核心。
研究人员通过被称为“动态斜面压缩”的技术对碳进行压缩。他们将176门激光同时照射在一个毫米级的钻石上，后者位于一个直径10米的铝球中心。“这一实验的挑战在于保持足够低的温度，才能模拟像木星这样的巨型气体行星，”雷·史密斯博士说，“我们通过小心调整激光强度的变化来做到这一点。这好比在犁田的时候，犁头的速度要足够慢，才能使沙土往两边分开，而不是堆积在一起。”
这些激光合起来的能量有0.76百万焦耳(MJ)，可以产生高达5000万个大气压的压力波作用在钻石上。这一压力与土星中心的压力相似。“钻石，已知最不可被压缩的材料，在此被压缩到了一个前所未有的密度——比铅的密度还高，”论文的作者写道。
随着压力增加，研究者测量了钻石的受力情况、密度和声音特性。“现在，这些状态方程可以与长期以来描述巨型气体行星和恒星内部物质的理论进行比较，”论文作者写道。在这样的极端条件下，碳结晶的密度会变得比钻石形态更高，科学家预测了一系列由此可能产生的现象。
“有趣的是，实验中并没有检测到任何这样的形态变化，这或许是已经稳定下来，或许是因为某种未知的机制而延迟，”伦敦学院大学的克里斯·皮卡德(Chris Pickard)在文章中写道，“不过，总体而言，实验的结果与理论结算还是比较吻合的。”
对木星内部环境的了解，包括其核心是固体还是液体等，将帮助解决行星如何形成的争论。“现在有两个标准模型，”史密斯说，“核心吸积模型(core accretion model)认为，木星一开始形成时是一个10倍地球质量的星体，具有足够的引力捕获并累积巨大的、厚厚的氢大气层，也就是我们今天所看到的情形。”
“另一方面，巨行星不稳定模型(giant instability model)提出，这些巨型气体行星是由于密度不稳定，导致引力波动，并最终使氢气聚集起来而形成的。也就是说，它们的形成不需要固体核。”
在太阳系之外，有一些行星的内部可能存在大量的钻石，如曾被昵称为“钻石行星”的巨蟹座55e。“我们的数据将帮助确定这些行星是否真的富含碳，”史密斯说，“如果我们想了解哪些地外行星适合居住，就必须对行星形成过程中所有可能的终产物有广泛的认识。”
不过，克里斯·皮卡德博士十分谨慎，他表示不应该把激光实验的结果看得太重。“行星形成需要许多百万年的时间，而报道中动态斜坡压缩的过程却只有一瞬，”他说，“尽管已经达到了类似的温度和压力，但这些实验是否能模拟大型气体行星中存在的高密度岩石和冰块呢？现在还不清楚。”
最后，克里斯·皮卡德博士还是鼓励研究团队对实验进行提升，他说：“尽管实验中的压力和密度已经很高，但大自然更加不可思议。这些巨型系外行星是通往恒星的踏板，那里的压强可以达到PPa级。”(任天)
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