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钻石|最新实验表明：海王星和天王星内部存在钻石雨奇观

在海王星和天王星的太空深处 ， 可能正在下着钻石雨 。目前 ， 科学家已经提出最新实验证据 ， 证实钻石雨是如何实现的 。有一种假说认为 ， 海王星和天王星表面之下数千公里处的高温和高压环境会使碳氢化合物分裂 ， 碳将压缩为钻石 ， 并向行星内核更深处下沉 。
最新实验使用美国斯坦福国家加速器实验室的直线加速器相干光源（LCLS）X射线激光 ， 对这种“钻石雨”过程如何发生进行精确测量 ， 并发现碳会直接转变成水晶钻石 。
【钻石|最新实验表明：海王星和天王星内部存在钻石雨奇观】等离子体物理学家迈克·邓恩解释称 ， 这项研究提供了关于一种非常难以模拟计算的数据：两种元素“溶混性”或者它们在混合时如何结合 ， 我们观察到了两种成分是如何分离的 ， 就像沙拉酱再次分离为油和醋一样 。
海王星和天王星是太阳系中最不为人知的行星 ， 它们的距离非常遥远 ， 令人望而却步 ， 迄今只有太空探测器“旅行者2号”曾接近它们 ， 而且仅是短暂时间飞越 ， 不是执行长期任务 。
事实上 ， 类似海王星和天王星这样的冰巨星在银河系中非常普遍 ， 依据美国宇航局观测数据 ， 银河系内此类冰巨星比类木星多10倍 。因此 ， 理解太阳系的冰巨星对于分析行星在星系中如何进化演变至关重要 ， 为了更好地理解它们 ， 我们需要知道在宁静的蓝色外壳之下究竟发生了什么 。
我们知道海王星和天王星的大气主要是由氢和氦组成 ， 还有少量甲烷 ， 在这些大气层之下 ， 一种由水、甲烷和氨等“冰物质”构成的超热、超密度流体包裹在行星内核周围 。
几十年前的计算实验表明 ， 在足够的压力温度条件下 ， 甲烷可以分解成钻石 ， 这表明在这种高温、致密物质中可以形成钻石 。之前德国物理学家多米尼克·克劳斯在美国斯坦福直线加速器中心进行实验 ， 使用X射线衍射证实该实验结论 。目前 ， 克劳斯和同事将他们的研究向前推进了一步 。
克劳斯说：“我们现在拥有一个基于X射线衍射的非常有前景的新方法 ， 我们的实验提供了重要模型参数 ， 在此之前的实验中存在诸多不确定性 ， 随着近年我们发现的系外行星越来越多 ， 这一点就变得不重要了 。”
在实验室复制巨行星内部结构是一项挑战 ， 研究人员需要一些精密设备 ， 例如：直线加速器相干光源 ， 同时 ， 还需要一种物质来复制巨行星内部 ， 为此 ， 研究小组使用碳氢聚苯乙烯（C8H8）代替甲烷（CH4） 。
实验第一步是对材料进行加热加压 ， 从而复制海王星地下1万公里处的内部环境：光学激光脉冲在碳氢聚苯乙烯中产生冲击波 ， 使材料加热至大约4727摄氏度 ， 从而形成强大压力 。
克劳斯说：“我们在实验室制造了15万兆帕的压力 ， 这相当于将250头非洲大象的重量放置在拇指甲上产生的压力 。”在之前的实验中 ， 我们使用X射线衍射来探测材料 ， 这对晶体结构的材料非常有效 ， 但对非晶体分子就不那么有效 ， 所以形成的图像并不完整 。目前 ， 在最新实验中 ， 研究小组使用了另一种方法 ， 能够测量X射线是如何散射聚苯乙烯中的电子 。
这不仅能让他们观察到碳转化为钻石的过程 ， 还能观察到样本的其他部分发生了什么——它分裂成氢 ， 几乎没有剩余的碳 。克劳斯说：“目前在冰巨星的实例中 ， 我们知道碳在分离时几乎完全形成了钻石 ， 而且没有流体过渡的形式 。”


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