天文观测表明:类似海王星富含水的系外行星,在银河系中很常见!

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天文观测表明:类似海王星富含水的系外行星,在银河系中很常见!

天体物理观测表明,类似海王星富含水的系外行星,在我们的银河系中很常见。这些“水世界”被认为覆盖着一层厚厚的水,深达数百至数千英里,位于岩石地幔之上。虽然富含水的系外行星很常见,但它们的组成与地球有很大不同,因此这些行星的结构、组成和地球化学循环有许多未知之处。为了寻求对这些行星的更多了解,由亚利桑那州立大学领导的一个国际研究小组:

为富水系外行星提供了首批矿物学实验室研究之一,其研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上。亚利桑那州立大学地球和空间探索学院的合著者丹·希姆说:研究化学反应和过程是发展对这些常见行星类型理解的重要一步。一般的科学推测是:水和岩石在富含水的行星内部形成了不同层。因为水较轻,在富含水的行星的水层下面,应该有一层岩石。

图示:为了在高压和高温下测量原子尺度的晶体结构,带样品的金刚石砧腔与X射线光束(蓝线)和激光束(橙色区域)对准,激光束将样品加热到几千开尔文,样品夹在钻石铁砧之间的红色/灰色小矩形。

然而,水和岩层交界处的极端压力和温度可能会从根本上改变这些材料的行为。为了在实验室中模拟这种高压和温度,主要作者兼研究科学家卡罗尔·尼斯尔(Carole Nisr)在亚利桑那州立大学(ASU)的Shim地球和行星材料实验室使用高压钻石砧座进行了实验。在实验中,研究小组将二氧化硅浸泡在水中,将钻石之间的样品压缩到非常高的压力,然后用激光束将样品加热到几千华氏度以上。

研究小组还在伊利诺伊州的阿贡国家实验室进行了激光加热,为了监测二氧化硅和水之间的反应,当激光在高压下加热样品时,进行了X射线测量,发现了一种意想不到的新固体相,硅、氢和氧都在一起最初认为富含水的行星水层和岩层是分开的,但通过实验,发现水和二氧化硅之间有一种以前未知的反应,固相的稳定性大致在中间成分中。在高压和高温下,水和岩石之间的区别似乎令人惊讶地‘模糊’。

图示:在钻石砧座单元中,两颗宝石级的单晶钻石被塑造成砧座(照片中的平顶),然后面对面;样品被加载到砧座之间(平坦的表面),然后样品在砧座之间被压缩。

研究人员希望这些发现,能促进对富水行星的结构和组成以及化学循环的了解。研究具有重要意义,并对富水系外行星内部的化学成分和结构提出了新问题。富含水的行星化学循环,可能与地球等岩石行星的地球化学循环截然不同。

博科园|研究/来自:亚利桑那州立大学

参考期刊《美国国家科学院院刊》

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