银河系水世界表面下令人惊讶的发现

该艺术家的概念显示了一个假想的行星，在开普勒35A和B的双星系统周围被水覆盖。这种水世界的构成多年来一直吸引着天文学家和天体物理学家。

一组研究人员在实验室中模拟了富水系外行星的情况，并了解了有关其地质成分的一些令人惊讶的信息。

在我们的太阳系之外，即使是最强大的望远镜也只能看到空间中的最小点，其他世界也存在。天文学家发现，其中许多世界可能比地球大得多，并且完全被水淹没-基本上是没有突起陆地的海洋行星。在这样的世界上会发展什么样的生活？这样的栖息地还能维持生命吗？

由亚利桑那州立大学（ASU）领导的一组研究人员最近着手调查这些问题。由于他们无法前往遥远的系外行星进行采样，因此他们决定在实验室中重新创造那些水世界的条件。在这种情况下，该实验室是高级光子源（APS），这是美国能源部（DOE）美国科学部用户设施办公室，位于美国能源部阿贡国家实验室。

“人们在谈论X射线设备时几乎不会想到天体物理学。但是我们可以使用APS之类的工具来理解一个距离太远而无法看到的物体。”—亚利桑那州立大学副教授Dan Shim

他们发现的-最近发表在《美国国家科学院院刊》上的-是二氧化硅和水之间的一个新的过渡相，表明这些系外行星上水和岩石之间的边界并不像地球上那样牢固。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进行建模的方式，并为我们思考有关其演化的生命的方式提供信息。

ASU副教授Dan Shim领导了这项新研究。Shim领导ASU的地球和行星材料实验室，长期以来一直对这些遥远世界的地质和生态构成着迷。他说，这种成分完全不同于我们太阳系中的任何行星-这些行星的岩石层上可能有50％以上的水或冰，而且这些岩石层必须存在于非常高的温度和压碎的压力下。

Shim说：“确定系外行星的地质状况很困难，因为我们无法使用望远镜或将漫游器送至它们的表面。”``因此我们尝试在实验室中模拟地质情况。''

如何做到这一点？首先，您需要正确的工具。对于此实验，Shim和他的团队将他们的样品带到了两条APS光束线上：由芝加哥大学运营的光束线13-ID-D的GeoSoilEnviroCARS（GSECARS），由阿贡大学X射线科学部运营的光束线16-ID-B的高压协作通道小组（HPCAT）。

样品被压缩在钻石砧室中，基本上是两颗宝石品质的钻石，具有微小的扁平尖端。在它们之间放置一个样本，您可以将钻石挤压在一起，从而增加压力。

“我们可以将压力提高到数百万个大气压，”阿贡（Aonnen）X射线科学部物理学家，论文的合著者岳梦（Yue Meng）说。Meng是HPCAT使用的技术的主要设计师之一，该技术专门从事高压高温实验。

她说：“ ​​APS是世界上为数不多的可以进行此类前沿研究的地方之一。”``束线科学家，技术人员和工程师使这项研究成为可能。''

Shim说，即使我们在这些行星上的数据有限，也可以计算出系外行星的压力。天文学家可以测量质量和密度，如果知道行星的大小和质量，就可以确定合适的压力。

样品加压后，可以使用红外激光（可以将其调整为小于人血细胞的宽度）加热样品。GSECARS的束线科学家，芝加哥大学的研究教授，该论文的合著者Vitali Prakapenka说：``我们可以将样品升高到华氏数千度。''``我们有两个高功率激光器，它们从两侧照在样品上，并与超亮APS X射线探头精确对准，并沿光路进行了亚微米精度的温度测量。''

系外行星的温度很难测量，因为有许多因素可以决定它的温度：行星内部的热量，行星的年龄以及结构内部放射性同位素的衰变，从而释放出更多的热量。Shim的小组计算了可工作的温度范围。

样品加压并加热后，APS的超明亮X射线束（可以穿透钻石并进入样品本身）可以让科学家拍摄化学反应过程中发生的原子尺度结构变化的快照。在这种情况下，Shim和他的团队将少量的二氧化硅浸入水中，提高了压力和温度，并监控了材料的反应方式。

他们发现，在高温和大约30吉帕斯卡的压力（大约是地球上标准大气压力的30万倍）下，水和岩石开始融合。

他说：“如果您要用水和岩石建造一个行星，那么您将假定水在岩石上形成了一层。”``我们发现不一定是正确的。有了足够的热量和压力，岩石和水之间的边界就会变得模糊。

Prakapenka说，这是一个新想法，需要将其整合到系外行星模型中。

Prakapenka说：“主要要点是，它告诉人们对这些行星的结构进行建模时，其组成比我们想象的要复杂。”``在我们认为岩石和水之间存在分离之前，但基于这些研究，没有明确的界限。''

Shim说，科学家此前曾进行过类似的实验，但这些实验是在类似地球的环境中进行的，水的增量较小。观察这种新的相变，可以使建模者对富水系外行星的实际地质构成有一个更好的了解，并且还可以洞悉什么样的生活可能将系外行星称为家。

Shim说：“这是建立化学作用在这些行星上的工作方式的起点。”``水与岩石的相互作用对地球上的生命至关重要，因此，了解其中一些世界的生命类型也很重要。''

Shim承认，当考虑诸如APS之类的光源时，这项研究并不是人们可能会想到的第一件事。但他说的正是这种镇定是大规模用户设施的优势。

他说：“人们在谈论X射线设备时几乎不会想到天体物理学。”``但是我们可以使用APS之类的工具来理解一个离我们太远而无法看到的物体。''

参考：Carole Nisr，Huawei Chen，Kurt Leinenweber，Andrew Chizmeshya，Vitali B.Prakapenka，Clemens Prescher，Sergey N.Tkachev，岳萌，刘振贤的“在致密二氧化硅中的大H2O溶解度及其对富水行星内部的影响”以及Sang-Heon Shim于2020年5月5日在美国国家科学院院刊上发表的论文。
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。