富碳系外行星可能由“鑽石”構成_風聞

　　翻譯：周唯亮

　　校對：牧夫天文校對組

　　編排：胡暖暖

　　後台：庫特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤

　　原文鏈接：

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

　　該插圖展示了一顆富碳行星，其中金剛石和二氧化硅為主要礦物質成分。水可以將碳化物行星轉化為富含金剛石的行星。在內部，主要礦物質是金剛石和二氧化硅（圖中有水晶的那一層）。其芯（深藍色部分）可能是鐵碳合金。圖片來源：Shim / ASU / Vecteezy

　　隨着像NASA的哈勃太空望遠鏡，TESS和開普勒任務這樣的探測任務繼續提供關於系外行星特性的信息，科學家越來越有能力拼湊出這些行星的樣子和它們的構成，判斷其是否可以居住，甚至是否已經有人居住。

　　在最近發表於《行星科學雜誌》上的一項新研究中，來自亞利桑那州立大學（ASU）和芝加哥大學的一組研究人員確定，在適當的情況下，某些富碳系外行星可以由金剛石（和鑽石為同一物質）和二氧化硅構成。

　　亞利桑那州立大學地球與太空探索學院的主要作者哈里森·艾倫·薩特説：“這些系外行星與我們的太陽系完全不同。”

　　金剛石系外行星的形成

　　當恆星和行星形成時，它們是從同一氣體雲中形成的，因此它們的整體組成是相似的。具有較低碳氧比的恆星將擁有像地球一樣的行星，這樣的行星由硅酸鹽和氧化物組成，金剛石含量非常少（地球的金剛石含量約為0.001％）。

　　但是，在碳氧比高於太陽的恆星周圍的那些系外行星更有可能富含碳。艾倫·薩特的合著者們包括：亞利桑那州立大學的艾米麗·加哈特（Emily Garhart），庫爾特·萊恩韋伯（Kurt Leinenweber）和沈相憲（Dan Shim）以及芝加哥大學的維塔利·普拉卡彭卡（Vitali Prakapenka）和伊蘭·格林伯格（Eran Greenberg），他們在研究中假設，如果存在水（宇宙中水的含量很高），則這些富碳系外行星可以轉化為金剛石和硅酸鹽，從而形成富含金剛石的成分。

　　在金剛石壓腔中，將兩顆寶石品質的單晶鑽石打造成形為砧（照片中的平頂部分），然後讓它們彼此面對。將樣品加載到尖底（平坦表面）之間，然後將樣品壓縮在砧座之間。圖片來源：Shim / ASU

　　金剛石砧和X射線

　　為了驗證這一假設，研究小組需要使用高温和高壓模擬碳化物系外行星的內部。為此，他們在合著者沈相憲教授的地球和行星材料實驗室中使用了高壓金剛石壓腔。

　　首先，他們將碳化硅浸入水中並將金剛石之間的樣品壓縮至非常高的壓力。然後，為了監測碳化硅與水之間的反應，他們在伊利諾伊州的阿貢國家實驗室進行了激光加熱，激光在高壓下加熱樣品，與此同時進行了X射線測量。

　　正如他們所預測的那樣，在高温和高壓下，碳化硅與水發生反應，變成金剛石和二氧化硅。

　　一顆不變的碳行星從碳化硅為主的地幔（左）轉變為二氧化硅和金剛石為主的地幔（右）。該反應還產生甲烷和氫氣。圖片來源：Harrison / ASU

　　宜居性

　　到目前為止，我們還沒有在其他行星上找到生命，但是搜尋仍在繼續。行星科學家和天體生物學家正在太空和地球上使用複雜的儀器來尋找宜居行星，那些行星應該具有合適的屬性，並且處於恆星周圍可能存在生命的位置。

　　這張照片中的圓柱狀物體是金剛石壓腔。將金剛石壓腔安裝在銅支架中，然後插入同步加速器的X射線/激光束路徑中。這張照片顯示了金剛石壓腔和底座在進行X射線/激光實驗進行對準之前的位置。圖片來源：Shim / ASU

　　但是，對於本研究的重點——富碳行星，它們可能不具備生命所需的特性。

　　雖然地球具有地質活躍性（宜居性的一個指標），但這項研究的結果表明，富碳行星很難具有地質活躍性，而缺乏地質活動可能會使大氣成分不適合居住。大氣對生命至關重要，因為大氣可以為我們提供賴以呼吸的空氣，保護我們免受惡劣宇宙環境影響，甚至可以提供壓力以使液態水的存在成為可能。

　　艾倫·薩特説：“無論是否適合居住，這都是幫助我們理解和描繪不斷增加與改進的系外行星觀測的又一步驟，我們學到得越多，我們就越能更好地解釋未來從詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡等探測任務獲得的新數據，從而更好地瞭解我們的太陽系以外的世界。

『天文時刻』 牧夫出品

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　　土衞八（Iapetus）的山脈，2007年9月10日由卡西尼號的窄角相機拍攝。