科学家利用巨型激光模拟系外行星的超热核心

根据周四发表在《科学》杂志上的一项研究，大型岩石系外行星的熔融核心应该比小行星的熔融核心保持更长时间的热度。这对星际探险家来说是个好消息——因为行星上的生命可能需要熔融核心才能发展。

要确定系外行星的这一特征，需要使用巨型激光和在前所未有的压力下放置的极薄铁片进行实验。“我们发现了这么多行星，人们最大的疑问之一是：这些行星是否可能适合居住？”领导这项研究的劳伦斯利弗莫尔国家实验室物理学家里克克劳斯说。

为了回答这个问题，研究人员通常不会从行星的核心开始思考。相反，他们会问行星与恒星的距离是否合适，或者行星上是否有水。但克劳斯和他的团队想找到其他方法来判断行星是否适合居住。

克劳斯说，他们探索了行星形成磁层（一种保护行星免受太阳辐射的磁场，就像地球周围的磁场保护我们免受太阳辐射一样）的能力，以此作为了解行星宜居性的一扇窗口。如果没有地球磁场，我们所知道的生命就不可能存在。

磁场是行星核心熔融的结果。地球的核心主要由铁组成，分为固体内核和液体外核。地球磁场是由液态铁的对流引起的，也就是铁的旋转方式：较冷、密度较大的液体区域沉到底部，而较热的区域则像熔岩灯中的蜡一样上升。

在实验室中研究系外行星的核心非常困难，因为几乎没有办法重现如此巨大的压力和温度。克劳斯说，这是首次在超过地球核心的压力下测量铁的熔点。为了实现这些极端条件，该团队需要一些大型激光器，特别是劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置——大型激光器是他们的专长。

在实验中，这些激光轰击了一个多层铁样本。克劳斯说，一层层的铍、一种金属元素和一些过滤器构成了一个超薄铁“三明治”的外部，而另一半则由一片透明的氟化锂构成。他说，外层的铍层在“十亿分之一秒的时间内”升温数千度，三明治的这一侧被烧成了等离子体。等离子体随后膨胀，向样本中发射出强烈的冲击波。

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这一过程模拟了热铁在穿过行星熔融核心时所经历的情况。“你会被电击得心力交瘁，”卡内基科学地球物理学家彼得·德里斯科尔 (Peter Driscoll) 说，他模拟了地球和其他行星的核心，但没有参与这项研究。他补充说，这是一个很难研究的过程。它会破坏样本，所以实验者必须一次性收集数据。他说，这个过程只产生了“几个数据点”，但“这类实验非常有价值。”

当样品达到峰值压力时，另一台仪器测试铁在关键时刻是否保持固态或液态，以帮助研究人员了解铁在高压和高温下的行为。

研究小组发现，“随着压力的增加，温度也会迅速升高，”克劳斯说。对于系外行星来说，这意味着它们越大，其核心凝固所需的时间就越长。他说，质量为地球 4 到 6 倍的超级地球需要的时间最长。研究小组估计，地球核心凝固总共需要 60 亿年，而与地球成分相似的大型系外行星的核心凝固所需的时间最多要长 30%。

克劳斯说：“虽然这听起来有点直观，但考虑到各种不同因素，这并非理所当然。”

德里斯科尔说，测量铁在极端条件下的熔化程度非常重要，因为它可以告诉你行星的核心是否会凝固以及如何凝固。即使在地球固体内核和液体外核之间的边界，科学家们也不知道确切的温度​​是多少——尽管据估计，它接近太阳表面的温度，约为 10,000°F。

将这些结果外推到系外行星的一个问题是，这些超级地球的核心可能含有除铁以外的其他元素，这将改变它们的熔化温度，具体数值未知，德里斯科尔说。此外，很难预测系外行星如何冷却，因为地幔（围绕核心的一层热岩）对核心冷却速度起着重要作用。他说，这些系外行星的地幔可能由“几乎任何东西”构成。

德里斯科尔说，金星就是这种脱节的典型例子。理论上，它的成分与地球非常相似，但它缺乏磁场和板块构造。

其他因素也能决定磁层是否会形成，比如地核中的物质让热量或电流通过的程度。但这些特性很难测量，即使在地球上也很难测量——科学家们在过去十年里才成功测量了地核中的热量流动。不过，德里斯科尔说，这将是“下一步要研究的事情”。

2022 年 1 月 21 日更正：本文之前曾指出，该实验是首次在超过地核的压力下使用铁。事实上，这是首次在这些压力下测量铁的熔点。