北京時(shí)間 4 月 7 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，在地球深處發(fā)生的物理和化學(xué)現(xiàn)象對(duì)我們所知的生命形式至關(guān)重要。但在那些遙遠(yuǎn)星球的地下深處，又有哪些力量在發(fā)揮作用呢？這些條件又會(huì)對(duì)星球的宜居性造成怎樣的影響呢？
▲ 圖 1：地幔主要由硅酸鹽礦物質(zhì)構(gòu)成。根據(jù)對(duì)其它巖質(zhì)行星的密度計(jì)算結(jié)果，其內(nèi)部成分也可能以硅酸鹽為主。在地球上，硅酸鹽在高溫高壓下經(jīng)歷的結(jié)構(gòu)變化決定了地球內(nèi)部的不同分層，比如上地幔、下地幔等等。此次研究團(tuán)隊(duì)致力于弄清在系外行星環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)哪些新型硅酸鹽結(jié)構(gòu)、以及這些結(jié)構(gòu)會(huì)有怎樣的表現(xiàn)。
卡內(nèi)基地球與行星實(shí)驗(yàn)室利用模擬手段、找到了一種全新的晶體結(jié)構(gòu)，將在很大程度上影響我們對(duì)大型巖質(zhì)行星內(nèi)部的了解。
地球內(nèi)部活動(dòng)對(duì)維持適宜生命存活的表面環(huán)境至關(guān)重要，例如驅(qū)使“地球發(fā)電機(jī)”產(chǎn)生磁場(chǎng)、影響大氣組成等等，而在所謂“超級(jí)地球”這些大型巖質(zhì)行星深處，情況甚至?xí)鹊厍蚋訕O端。
地幔主要由硅酸鹽礦物質(zhì)構(gòu)成。根據(jù)對(duì)其它巖質(zhì)行星的密度計(jì)算結(jié)果，其內(nèi)部成分也可能以硅酸鹽為主。在地球上，硅酸鹽在高溫高壓下經(jīng)歷的結(jié)構(gòu)變化決定了地球內(nèi)部的不同分層，比如上地幔、下地幔等等。此次研究團(tuán)隊(duì)致力于弄清在系外行星環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)哪些新型硅酸鹽結(jié)構(gòu)、以及這些結(jié)構(gòu)會(huì)有怎樣的表現(xiàn)。
▲ 圖 2：利用鍺酸鎂（該物質(zhì)與地幔中含量最高的硅酸鹽礦物質(zhì)之一非常相似），該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)法掌握了一些“超級(jí)地球”等大型巖質(zhì)系外行星的礦物學(xué)信息。當(dāng)壓力達(dá)到地球大氣壓的 200 萬倍時(shí)，該物質(zhì)的物相會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成一種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)鍺原子可以與八個(gè)氧原子相結(jié)合。這種新型礦物質(zhì)將對(duì)系外行星的內(nèi)部溫度和反應(yīng)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。
幾十年來，卡內(nèi)基實(shí)驗(yàn)室的研究人員一直在牽頭開展這方面的研究，將各類材料樣品置于極端高溫和高壓之下、試圖復(fù)制出行星內(nèi)部環(huán)境。但科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制系外行星內(nèi)部環(huán)境的能力有限。理論模型顯示，在質(zhì)量達(dá)地球四倍的巖質(zhì)行星地幔層的高壓之下，硅酸鹽會(huì)經(jīng)歷幾種全新的礦相轉(zhuǎn)變。但我們還從未真正觀察到過這種轉(zhuǎn)變過程。
不過，鍺可以被視作硅的“完美替身”。這兩種元素可以形成相似的晶體結(jié)構(gòu)，但鍺發(fā)生化學(xué)物相轉(zhuǎn)變所需的溫度和壓力都比硅低得多，因此在實(shí)驗(yàn)室中更容易控制和實(shí)現(xiàn)。
利用鍺酸鎂（該物質(zhì)與地幔中含量最高的硅酸鹽礦物質(zhì)之一非常相似），該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)法掌握了一些“超級(jí)地球”等大型巖質(zhì)系外行星的礦物學(xué)信息。當(dāng)壓力達(dá)到地球大氣壓的 200 萬倍時(shí)，該物質(zhì)的物相會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成一種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)鍺原子可以與八個(gè)氧原子相結(jié)合。
最有趣的一點(diǎn)是，這是兩種完全不同的元素，在該結(jié)構(gòu)中居然可以相互替代。在正常條件下，大多數(shù)硅酸鹽和鍺酸鹽都會(huì)形成所謂的四面體結(jié)構(gòu)：一個(gè)硅原子或鍺原子位于中間，與另外四個(gè)原子相結(jié)合。但在極端條件下，情況也會(huì)有所改變。
人們之前發(fā)現(xiàn)，在極端條件下，硅酸鹽中的硅可以與六個(gè)原子結(jié)合、而不僅僅是四個(gè)，這已經(jīng)顛覆了科學(xué)家對(duì)地球深處的認(rèn)知，而此次發(fā)現(xiàn)這個(gè)數(shù)字可以進(jìn)一步增加到八，更是會(huì)對(duì)我們對(duì)系外行星內(nèi)部動(dòng)態(tài)的理解產(chǎn)生革命性的影響。
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