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科学家通过实验确定了天王星海王星内部物质状态


来源:火狐直播app下载安装    发布时间:2024-01-19 21:30:53

  冰冷的行星,如天王星(U)和海王星(N),在我们的太阳系和宇宙中的其他太阳系中都有发现。尽管如此,这些行星的特点是厚厚的大气层和由挥发性物质(例如氢水,氨等)制成的地幔,是探索最少的行星类别;到目前为止,人们对它们的起源、内部结构和组成知之甚少。

  旅行者探测器是美国宇航局在探索外太阳系时发射的两个机器人系统,记录了有趣的测量结果,表明冰冷的行星具有特殊的磁场。这些测量表明,与别的类型的行星(如类地行星和气态巨行星)不同,冰冷的行星没有偶极磁场,因此没有明确的北极和南磁极。

  巴黎综合理工学院、索邦大学和欧洲其他研究所的研究人员最近进行了一项研究,旨在更好地了解这些广泛未开发的行星内部有几率存在物质的形式。他们的论文发表在《自然物理学》上,专门报道了超离子氨的熔融曲线,其条件类似于天体物理学期望在U和N内部发现的条件。

  “U和N的大气成分表明它们的地幔由C,H,N和O原子的复杂混合物组成,这些原子也能表达为水(H2O),氨(NH3)和甲烷(CH4)的混合物,即所谓的行星冰,”进行这项研究的研究人员之一Jean Alexis Hernandez告诉

  “然而,在U和N的极端条件下(数百万倍地球大气压力和数千开尔文)缺乏这些化合物及其混合物的热力学数据阻碍了这些行星的当前地球物理模型。目前的大多数模型认为地幔是由纯水制成的,其他化合物的作用仍然未知。

  理论研究预测,在极端条件下,例如人们期望在冰冷的行星内发现的那些条件,水和氨能形成超离子相。在这些状态或相中,H原子变得高度扩散并以类似于流体运动的方式移动,而其余原子(即O和N)则保持在晶格中。

  “最近,Millot和合著者已经通过实验证明了超离子水的存在,并确定了其熔化曲线,”Hernandez说。“我们的工作是一个类似的实验,但针对氨。我们的实验是在法国的LULI2000激光工厂完成的,使用了一种称为激光驱动冲击压缩的技术。

  激光驱动的冲击压缩是Hernandez和他的同事在实验中使用的技术,本质上包括使用高功率激光脉冲在样品内部产生冲击波。当这种冲击波穿过样品时,它会增加其压力和温度。

  冲击波的传输持续几纳秒(即几十亿分之一秒)。在这么短的时间内,研究人员测量了样品的冲击速度和温度(T)。然后,他们使用内标(特别是石英)将冲击速度与样品内部的压力联系起来。

  “冲击样品中的P-T条件取决于其相位(结构),”埃尔南德斯说。“对于给定的阶段,所有可能通过冲击达到的P-T条件都位于一条称为Hugoniot曲线的线上。因此,当激波传播过程中发生相变时,P-T条件将首先遵循第一阶段的Hugoniot,然后沿着两相之间的P-T边界,最后到达第二阶段的Hugoniot。

  激光射击前的样品图片。它在金刚石砧单元中以 2.45 GPa 预压缩。可见固体氨-III颗粒。资料来源:自然物理学,2023 年。(补充材料的图S1)。

  在团队的实验中,通过样品发送的冲击波将氨转化为致密流体。研究人员还观察到冲击传播过程中压力和温度演变的扭结。

  “这个扭结对应于样品中的P-T条件停止跟随流体相的Hugoniot并开始遵循超离子相的边界的时刻,”Hernandez说。

  “这些结果得到了我们的合著者进行的原子模拟的支持。这些基于量子力学的模拟再现了氨在实验条件下的行为。模拟能够准确地再现实验可观察结果。基于这一协议,个人会使用它们来获得关于N和H原子在这种条件下如何表现的微观见解,并确定流体的电导率和氨在与天王星和海王星相关的条件下的超离子状态。

  在诸如你和N内部可能发现的条件下产生冲击波是一项具有挑战性的任务。这首先是因为要产生强烈的冲击,样品在其初始状态下应该是固体或液体(即,在冲击波进入之前),但氨在环境和温度下是气态的。

  因此,研究人员首先必须液化或固化氨。更复杂的是,即使在氨液化后(通过冷却或加压),样品中的冲击也会显着提高温度,达到比U和N内部更极端的条件。

  “为了应对这两个挑战,我们一定要首先在称为金刚石砧单元的装置中预压缩高达3 GPa(30000巴)的氨,”Hernandez说。

  “该设备通常用于通过用金刚石砧将样品保持在带有金刚石砧座的小型压力机中,以静态方式产生高压。在我们的实验中,我们一定要将这种静态预压缩与主要的激光驱动冲击压缩相结合。在冲击之前,我们将氨压缩成称为氨-III的结晶相。然后我们震惊了氨-III,导致天王星和海王星内部的P-T条件。

  通过他们的实验,埃尔南德斯和他的同事们最终能够勾勒出超离子氨高达300 GPa的熔融曲线,在人们期望在冰冷的行星内部发现的条件下。这可能会对未来的工作产生有趣的影响,同时也为这些广泛未开发的行星的可能特征提供新的线索。

  “这项研究的一个重要结果是,致密流体氨的电导率高于纯水,这在某种程度上预示着在U和N的内部,氨浓度较高的流体区域可能比周围环境具有显着更高的电导率,”Hernandez解释说。“这些电导率的变化会影响这些行星特殊磁场的产生或传播。

  更好地了解纯系统(如水和氨)在高压和高温下的行为,是了解冰行星内部发生的情况的关键第一步。到目前为止,Hernandez和他的同事们专注于这些极端条件下超离子氨的熔融曲线,以及碳,氢,氧和氮的U,N复合混合物的地幔,他们计划在进一步的研究中研究。

  “熔融曲线的确定也是一个主要发现,因为我们观察到超离子水的熔融曲线 GPa之间交叉,这在某种程度上预示着氨在低于该压力范围内的水的温度下熔化,”埃尔南德斯补充说。“这是确定天王星和海王星地幔内固体或超离子区域的范围(如果有的话)的重要输入。在未来的实验中,我们将尝试逐步探索更复杂的系统,例如水和氨的混合物。

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