这幅艺术家的概念图展示了一颗假想的行星，它围绕着开普勒- 35a和b双星系统，被水覆盖。这些水世界的组成多年来一直吸引着天文学家和天体物理学家。来源:美国国家航空航天局/姓名
一组研究人员模拟了co实验室对富含水的系外行星的研究发现了一些惊人的现象关于它们的地质成分。
在我们的太阳系之外，即使是最强大的望远镜也只能看到太空中最小的点，还有其他的世界。天文学家发现，这些行星中有许多可能比地球大得多，完全被水覆盖——基本上是没有突出陆地块的海洋行星。在这样的世界上能发展出什么样的生命呢?这样的栖息地能维持生命吗?
最近，由亚利桑那州立大学(ASU)领导的一组研究人员着手调查这些问题。由于他们无法前往遥远的系外行星获取样本，所以他们决定在实验室里重现那些水世界的条件。在这种情况下，实验室是先进光子源(APS)，一个美国能源部(DOE)办公室的科学用户设施在能源部的阿贡国家实验室。
他们的发现——最近发表在《美国国家科学院院刊》上——是硅和水之间的一个新的过渡阶段，这表明在这些系外行星上，水和岩石之间的边界不像在地球上那样坚固。这一关键发现可能会改变天文学家和天体物理学家对这些系外行星建模的方式，并告诉我们如何看待它们上的生命进化。
ASU副教授Dan Shim领导了这项新研究。西姆是亚利桑那州立大学地球和行星材料实验室的负责人，长期以来，他一直对这些遥远世界的地质和生态组成着迷。他说，这种成分与我们太阳系中的任何行星都不一样——这些行星的岩层上可能有超过50%的水或冰，而这些岩层必须在非常高温和巨大压力下存在。
Shim说:“确定系外行星的地质是困难的，因为我们不能使用望远镜或向它们的表面发送探测器。”“所以我们试图在实验室里模拟地质。”
怎么做呢?首先，您需要正确的工具。在这个实验中，Shim和他的团队将他们的样本带到两个APS波束中:芝加哥大学操作的波束13-ID-D的GeoSoilEnviroCARS (GSECARS)，以及阿贡x射线科学部操作的波束16-ID-B的高压协作访问团队(HPCAT)。
这些样品被压缩在钻石砧槽中，本质上是两颗具有微小扁平尖端的宝石质量钻石。把一个样品放在它们之间，你就可以把钻石挤压在一起，增加压力。
“我们可以将压力提高到数百万个大气压，”Argonne x射线科学部的物理学家、该论文的合著者Yue孟说。孟是HPCAT技术的主要设计者之一，HPCAT专门从事高压、高温实验。
她说:“APS是世界上少数几个可以进行这种前沿研究的地方之一。”“光束科学家、技术人员和工程师使这项研究成为可能。”
Shim说，系外行星的压力是可以计算出来的，尽管我们关于这些行星的数据是有限的。天文学家可以测量质量和密度，如果已知行星的大小和质量，就可以确定合适的压力。
一旦样品被加压，红外线激光——可以调整到比人体血细胞宽度还小的宽度——就会被用来加热。“我们可以将样本带到数千华氏度，”GSECARS的光束科学家、芝加哥大学(University of Chicago)的研究教授、这篇论文的合著者维塔利·普拉卡彭卡(Vitali Prakapenka)说。“我们有两个高功率激光器，从两侧照射样品，与超明亮的APS x射线探测器精确对齐，并沿着光学路径进行亚微米精度的温度测量。”
系外行星的温度更难测量，因为有很多因素决定它:行星内部包含的热量，行星的年龄，以及在结构内部衰变的放射性同位素的数量，释放出更多的热量。Shim的团队计算了工作所需的温度范围。
一旦样品被加压和加热，APS的超明亮的x射线束(可以穿透钻石并进入样品本身)可以让科学家在发生化学反应时拍摄原子尺度结构变化的快照。在这种情况下，Shim和他的团队将少量二氧化硅浸入水中，增加压力和温度，并监测材料如何反应。
他们发现，在大约30亿帕斯卡(约30万倍地球标准大气压)的高温和压力下，水和岩石开始融合。
他说:“如果你要建造一个有水和岩石的行星，你会假设水在岩石之上形成了一层。”“我们发现这并不一定是真的。只要有足够的热量和压力，岩石和水之间的界限就会变得模糊。”
Prakapenka说，这是一个需要纳入系外行星模型的新想法。
Prakapenka说:“重要的是，它告诉建模这些行星结构的人，其组成比我们想象的要复杂。”“之前，我们认为岩石和水之间存在分离，但基于这些研究，并没有明确的边界。”
Shim说，科学家们以前做过类似的实验，但这些实验是基于类似地球的环境，水的增量较小。观察这种新的相变可以让建模者更好地了解富含水的系外行星的实际地质组成，也可以洞察到什么样的生命可能会把这些系外行星称为家园。
Shim说:“这是建立这些行星上化学工作方式的一个起点。”“水与岩石如何相互作用对地球上的生命很重要，因此，了解这些星球上可能存在的生命类型也很重要。”
沈教授承认，当人们想到像APS这样的光源时，这项研究并不是人们首先想到的。但他说，正是这种多样性是大规模用户设施的优势。
“当谈到x射线设备时，人们几乎不会想到天体物理学，”他说。“但我们可以使用APS这样的设备来理解我们无法看到的遥远物体。”
参考文献:Carole Nisr, Huawei Chen, Kurt Leinenweber, Andrew Chizmeshya, Vitali B. Prakapenka, Clemens Prescher, Sergey N. Tkachev, Yue孟，Zhenxian Liu和相heon Shim, 2020年5月5日，《美国国家科学院学报》。DOI: 10.1073 / pnas.1917448117
这项工作得到了美国国家科学基金会(NSF)、美国国家航空航天局(NASA)和凯克基金会的资助。
