富碳系外行星可能由“钻石”构成_风闻

　　翻译：周唯亮

　　校对：牧夫天文校对组

　　编排：胡暖暖

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　　原文链接：

　　https://phys.org/news/2020-09-carbon-rich-exoplanets-diamonds.html

　　该插图展示了一颗富碳行星，其中金刚石和二氧化硅为主要矿物质成分。水可以将碳化物行星转化为富含金刚石的行星。在内部，主要矿物质是金刚石和二氧化硅（图中有水晶的那一层）。其芯（深蓝色部分）可能是铁碳合金。图片来源：Shim / ASU / Vecteezy

　　随着像NASA的哈勃太空望远镜，TESS和开普勒任务这样的探测任务继续提供关于系外行星特性的信息，科学家越来越有能力拼凑出这些行星的样子和它们的构成，判断其是否可以居住，甚至是否已经有人居住。

　　在最近发表于《行星科学杂志》上的一项新研究中，来自亚利桑那州立大学（ASU）和芝加哥大学的一组研究人员确定，在适当的情况下，某些富碳系外行星可以由金刚石（和钻石为同一物质）和二氧化硅构成。

　　亚利桑那州立大学地球与太空探索学院的主要作者哈里森·艾伦·萨特说：“这些系外行星与我们的太阳系完全不同。”

　　金刚石系外行星的形成

　　当恒星和行星形成时，它们是从同一气体云中形成的，因此它们的整体组成是相似的。具有较低碳氧比的恒星将拥有像地球一样的行星，这样的行星由硅酸盐和氧化物组成，金刚石含量非常少（地球的金刚石含量约为0.001％）。

　　但是，在碳氧比高于太阳的恒星周围的那些系外行星更有可能富含碳。艾伦·萨特的合著者们包括：亚利桑那州立大学的艾米丽·加哈特（Emily Garhart），库尔特·莱恩韦伯（Kurt Leinenweber）和沈相憲（Dan Shim）以及芝加哥大学的维塔利·普拉卡彭卡（Vitali Prakapenka）和伊兰·格林伯格（Eran Greenberg），他们在研究中假设，如果存在水（宇宙中水的含量很高），则这些富碳系外行星可以转化为金刚石和硅酸盐，从而形成富含金刚石的成分。

　　在金刚石压腔中，将两颗宝石品质的单晶钻石打造成形为砧（照片中的平顶部分），然后让它们彼此面对。将样品加载到尖底（平坦表面）之间，然后将样品压缩在砧座之间。图片来源：Shim / ASU

　　金刚石砧和X射线

　　为了验证这一假设，研究小组需要使用高温和高压模拟碳化物系外行星的内部。为此，他们在合著者沈相憲教授的地球和行星材料实验室中使用了高压金刚石压腔。

　　首先，他们将碳化硅浸入水中并将金刚石之间的样品压缩至非常高的压力。然后，为了监测碳化硅与水之间的反应，他们在伊利诺伊州的阿贡国家实验室进行了激光加热，激光在高压下加热样品，与此同时进行了X射线测量。

　　正如他们所预测的那样，在高温和高压下，碳化硅与水发生反应，变成金刚石和二氧化硅。

　　一颗不变的碳行星从碳化硅为主的地幔（左）转变为二氧化硅和金刚石为主的地幔（右）。该反应还产生甲烷和氢气。图片来源：Harrison / ASU

　　宜居性

　　到目前为止，我们还没有在其他行星上找到生命，但是搜寻仍在继续。行星科学家和天体生物学家正在太空和地球上使用复杂的仪器来寻找宜居行星，那些行星应该具有合适的属性，并且处于恒星周围可能存在生命的位置。

　　这张照片中的圆柱状物体是金刚石压腔。将金刚石压腔安装在铜支架中，然后插入同步加速器的X射线/激光束路径中。这张照片显示了金刚石压腔和底座在进行X射线/激光实验进行对准之前的位置。图片来源：Shim / ASU

　　但是，对于本研究的重点——富碳行星，它们可能不具备生命所需的特性。

　　虽然地球具有地质活跃性（宜居性的一个指标），但这项研究的结果表明，富碳行星很难具有地质活跃性，而缺乏地质活动可能会使大气成分不适合居住。大气对生命至关重要，因为大气可以为我们提供赖以呼吸的空气，保护我们免受恶劣宇宙环境影响，甚至可以提供压力以使液态水的存在成为可能。

　　艾伦·萨特说：“无论是否适合居住，这都是帮助我们理解和描绘不断增加与改进的系外行星观测的又一步骤，我们学到得越多，我们就越能更好地解释未来从詹姆斯·韦伯太空望远镜和南希·格雷斯·罗曼太空望远镜等探测任务获得的新数据，从而更好地了解我们的太阳系以外的世界。

『天文时刻』 牧夫出品

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　　土卫八（Iapetus）的山脉，2007年9月10日由卡西尼号的窄角相机拍摄。