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嫦娥五号撞击坑大调查!如何构建一个宇宙?四月地空新闻速递!

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神秘的超导体波可以揭示材料背后的部分物理原理

物理学家们终于捕捉到了超导体的浪潮。

一方面,由于物质相对的第一个直接证据就是成对密度波,它有助于揭示神秘的高温超导体所基于的物理原理。另一方面,物理学家怀疑超导体材料中存在配对密度波,但是,如果没有直接证据,科学家将无法增进他们对这些超导体材料的理解。

不过可喜的是,当高温超导体在1980年代问世时,带给了物理学家们一个很大的转机。由于它们包含铜,导致其比大多数其他超导体高得多的温度下导电,而不会产生电阻,某些超导体的温度甚至能达到约100开尔文(约–173摄氏度)或更高。

物理学家预测,在高温超导体中,电子能量的间隙会以一种奇怪的形式在整个材料表面周期性地变化。这种效应可能与相同材料在较高温度下存在的另一种异常状态有关,称为伪间隙相。

该伪间隙相在寻求增加高温超导体的温度范围中可能是非常关键的一环。为此,通过阐明这些材料在预热时的行为方式的实验过程中,新得出的结果很有可能帮助科学家更好地理解一些其他的物理方面的内容。


高温超导体可能表现出异常的行为,例如,悬浮在磁体上方。现在,科学家们在材料中发现了一种称为对密度波的特征。

恒星“吃掉”行星的过程中,自己还会变暗?


一位画家将吞噬过程用画笔生动地描绘出来:绕着恒星运行的行星可能会随着恒星年龄的增长而被吞噬。

当巨型恒星吞噬周围的行星时,它们的星光可能会逐渐变暗。而这种变暗很有可能会影响天文学家测量整个宇宙距离的方式,甚至可能使过去的测量结果产生新的问题。

当质量类似于太阳的恒星通过其核心中的大部分氢燃烧时,它们的外层会膨胀,直到恒星的大小达到其原始大小的数百倍,成为“红色巨人”。

在过去,这种均匀的亮度帮助天文学家估计了宇宙距离。因为“红色巨人”总是在某个亮度下达到峰值,所以它们可以充当整个宇宙的距离标记,为天文学家提供宇宙地标,以测量地球与遥远星系之间的空间。

但是现在,在不知道恒星的固有亮度的情况下,天文学家很难知道恒星距离有多远——因为恒星可能会因其距离太远或只是因为它太暗而显得暗淡。

研究小组认为,行星可以通过几种不同的方式改变恒星的亮度:如果行星让恒星的核心燃烧的物质更多,那可能会打开灯光,使恒星看起来比实际距离更近。或者吃一颗行星可能会搅动恒星的外部气体层,从而使轻粒子或光子在恒星的大气层中更多地反弹。然后更少的光子会逸出,而恒星将显得更暗。

芝加哥大学的宇宙学家温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)坦言:“从现有观察中可以得到的理论成分和约束条件表明,目前,这不是一个严重的问题。”

Stephen Wolfram的超图项目&构建宇宙的方法


计算机可视化描绘了一个“超级图”,该超级图由点之间的关系组成,这些点之间的关系是通过反复应用简单规则来扩展或“更新”网络而构建的。斯蒂芬·沃尔夫拉姆(Stephen Wolfram)认为,一个非常复杂的超图可以代表所有物理空间及其内容,这是找到物理学基本理论的线索。

物理学家,计算机科学家Stephen Wolfram认为,宇宙是一个庞大的,不断发展的关系网络,它构成了空间本身及其内部的一切。在这张照片中,Wolfram看到了所有物理定律背后的终极理论的基础。

Wolfram18年前在《新科学》一书中表达了这种观点。但是那时候他的照片仍然有些模糊。现在,他认为自己已经找到了更加清晰的方法来解释现实。

他在 4月14日发布的摘要文件中写道:“我很高兴地说,我认为我们已经找到了通往物理学基础理论的道路。”

Wolfram方法的核心是超图的概念。在这种情况下,“图形”就像网络的示意图所示:连接点的线。但是,无法通过链接平面纸上的点的线来捕捉现实。计算机可视化效果被用以更复杂的“超图”描述关系。(在超图中,“线”可以连接任意数量的点,而不仅仅是彼此之间的点。)

Wolfram的研究表明,复杂的超图可以模仿宇宙的许多特征,包括物质和能量,以及再现相对论和量子力学所描述的物理结构和过程。他在报告中写道:“在我们的模型中,宇宙中的一切(空间,物质,任何东西)都应该由我们不断发展的超图的特征来表示。”

金星中的气体带给我们的“惊喜”


几十年来,科学家一直假设金星大气中的气体在约100公里以下的高度均匀混合。一项新的研究却破坏了这一假设。

长期以来,科学家一直认为,大气湍流会在约100公里以下的金星大气中产生均匀的混合气体。这就是它在地球上的运作方式。但是研究人员在4月20日的《自然天文学》在线报道中说,来自美国宇航局信使号航天器的数据现在表明,金星大气层的这一部分含有不同氮浓度的气体层。

重新审视金星上的氮可能会推翻关于地球大气层已有数十年历史的假设。

位于马里兰州劳雷尔的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的物理学Peplowski及其同事分析了MESSENGER在2007年飞越金星时飞离金星大气层的中子的测量结果。(中子是由银河宇宙射线撞击金星大气中距地面约60至90公里的气体产生的。由于氮趋于吸收中子,因此逃逸的中子数显示出氮含量。)

计算机模拟显示,从60到90公里的海拔高度的气体中必须含有约5%的氮才能产生由MESSENGER测量的中子数。相反,在1970年代,太空探测器在低于45公里的高度测量到距金星表面约3.5%的氮浓度。

目前尚不清楚为什么高层大气中的氮比底层大气中的氮更丰富。Peplowski说,但氮层之间的明显鸿沟与离地面约50公里的持久性二氧化硫云层重叠。“我确实想知道这是巧合,还是形成云层的相同过程导致某种程度上的上下大气分隔。”

一本新书的探索证明(荐书)


Alien Oceans, Kevin Peter Hand


绕木星运行的Europa,是太阳系外几颗卫星之一,被怀疑有冰层覆盖的液态水海洋。

在《Alien Oceans》(《外星海洋》)中,美国宇航局科学家凯文·彼得·汉德(Kevin Peter Hand)认为,宜居区域的概念应予扩展。外部太阳系中至少有六个卫星可能在冰冷的外表之下有水的海洋。对于这些球体来说,太阳不是使海洋保持液态的热源。取而代之的是,卫星岩石核内部的放射性元素的衰变可能会使事物变暖。另一种可能是潮汐弯曲:如果月亮沿着围绕行星的细长轨道运动,不断变化的潮汐将在核心内产生摩擦并释放热量。类似的条件也可能使其他太阳系的行星体上被冰覆盖。

Hand逐章介绍了太阳系中远洋存在的证据。以木星的第四大卫星欧罗巴(Europa)为例。早在1970年代初,地基望远镜的光谱图像就暗示了水冰的存在。在1990年代末和2000年代初,伽利略号航天器多次飞越欧罗巴,这有助于揭示月球的质量是如何分层分布的。有些层比其他层更稠密,暗示着水的存在。来自伽利略磁力计的数据检测到了由带电粒子流引起的变化的磁场,这支持了月球拥有咸海的想法。

《Alien Oceans》提供了太空探索最令人兴奋的方面之一的历史外观以及对未来的展望。利用现有技术,我们甚至可以确定地球之外是否还有生命。安利大家去康康~

神秘天体Oumuamua


一项新的研究表明,Oumuamua(图示)是一个神秘的天体,于2017年通过了太阳系,它可能是一块破碎的行星。

研究人员在4月13日的“自然天文学”中提出了一种神秘的天体,叫做“乌玛穆阿(Oumuamua)”,它可能是一颗被它的恒星引力撕裂的行星的碎片。

自从Oumuamua于2017年出现在太阳系中以来,天文学家一直在努力解释它的起源,这暗示它可能是一颗彗星甚至是外星飞船。

为了寻找其他解释,法国尼斯市蔚蓝海岸天文台的天文学家Yun Zhang和加利福尼亚大学的Douglas Lin开发了计算机模拟。在这些模拟中,从彗星到岩石行星的物体都能围绕着相对轻的恒星运行。科学家们发现,如果这些天体反复出现在距离恒星约60万公里的范围内(是水星到达太阳的距离的近80倍),那么恒星的引力会将天体切碎,并将碎片扔向星际空间。

然而,哈佛大学的天文学家Avi Loeb却从另一个方面进行了思量:必须考虑到在银河系周围排布类似Oumuamua的物体的数量,“需要在每颗恒星周围分布大约四千万个这样的物体。” 他说,但是行星状的碎裂应该很少见。

不过耶鲁大学的天文学家格雷戈里·劳克林Gregory Laughlin坚持这一现象十分合理,它把Oumuamua的奇怪特性与整个银河系的行星形成都有效的联系起来。

海南岛玄武岩强风化过程中钼同位素的行为

化学风化过程对地球表面环境的变化具有十分重要的影响,控制了流入地表水、河水和海水的溶液流。这一溶液流受到初始矿物和土壤中二次矿物的风化控制。很多金属同位素体系(锂,镁,铜,铁等)在化学风化过程中都会发生同位素的分馏。这些体系为定量研究风化通量提供了潜在的示踪剂。而钼同位素是一个氧化还原敏感元素,它的同位素组成变化可以被用来研究古海洋的氧化还原条件。但这一应用需要了解进入海洋的风化物质的Mo同位素组成。但风化过程中的Mo同位素分馏行为目前并不清楚。

本月,一篇在GCA(Geochimica et Cosmochimica Acta)上线上发布的论文中,研究人员对两种海南岛玄武岩的风化剖面进行了Mo同位素的研究。其中,来自蓬莱(Penglai)的风化剖面表现出强风化特征(~60 wt%的高岭石),而来自南洋(Nanyang)的剖面则表现出极强风化的特征(~85 wt%的高岭石)。其研究结果表明,残余矿物中易富集轻的钼同位素,而重的钼同位素则优先进入溶液被滤出。一方面,相对于未风化的钼同位素组成,蓬莱剖面覆土的腐殖土的钼同位素比值较低,而表层土壤的组成则较高。该剖面中,钼同位素组成和总有机碳含量随着深度的增加而降低,且在表层土中呈正相关关系,这表明较重的钼同位素富集在有机物中。另一方面,南洋剖面中的钼同位素组成更轻,且变化范围更大,这可能反应了铁氧化物对钼的吸附效应。整个风化剖面中,三价铁与钼的浓度呈正相关,而与钼的同位素组成呈负相关,表明铁氧化物的吸附对钼同位素的分馏起到了关键作用。这一研究的结果表明,控制钼同位素在风化过程中分馏的因素会随着风化强度而发生变化,这一定程度上解释了全球范围内河流集水区所观测到的钼同位素组成的较大差异。


嫦娥五号降落区较大撞击坑的调查

嫦娥五号将是中国探月任务的首个样品返回任务,计划于今年发射,着陆区在Oceanus Procellarum的MonsRümker附近。在收集月球样品之前,对着陆区进行详细的地质分析非常重要。本月,一篇发布在Earth and Planetary Science Letters的研究中,研究人员根据从嫦娥五号着陆区的700多个月球侦察轨道照相机窄角照相机图像生成的像素大小为1.5 m的数字正射影像图中,提取了所有直径大于200 m的撞击坑。使用生成的32,277个火山口的火山口目录,对着陆区域(包括火山口分布)进行了形态学特征和地质模型年龄的研究。结果表明,小于1,000 m的陨石坑在该地区的东部和西部更密集,而大于1,000 m的陨石坑往往更集中在中部,特别是在61.5°W–64.5°W范围内。在按光谱特征划分的9个地质单位中,MonsRümker附近的Em1(Eratosthenian-aged mare, Em)地质单位最年轻,模型年龄约为20.2亿年。三个Rümker plateau(IR)单位是着陆区最古老的部分,模型年龄最大,约为 34.9亿年。火山口目录和表面模型年龄分析结果可以为嫦娥五号任务和进一步的科学研究做出贡献。


铁如何影响硅酸盐熔体的性质?

从地表熔体到整个地球内部所有深度中都有铁的存在。铁在不同的氧化态和自旋状态下如何影响硅酸盐熔体的性质,对于我们理解星球的化学演化至关重要。在本月发布于Geochimica et Cosmochimica Acta的一篇论文中,研究人员报道了在覆盖整个地幔压力的范围内,含铁的熔融镁给酸盐熔体的第一性原理分子动力学模拟的结果。其结果表明,与纯熔体相比,主体熔体的结构特性,例如Mg-O和Si-O中的平均键长和配位,相差不大。值得注意的是,局部Fe–O结构对铁的自旋态的敏感程度要比对价态更高。对于等价态的构型,高自旋状态和低自旋状态之间的平均Fe–O键长度和配位数相差分别超过10%和30%。相比之下,Fe 2+和Fe 3+之间的对应差异等自旋模式的差异分别在5%和15%之内。在0GPa和3000 K时,二价铁高自旋态的配位数为3.8,而低自旋态的配位数为3.3,相较于三价铁的平均配位数较低,高自旋态的平均氧配位数为4.1,低自旋态的平均氧配位数为3.7。随着压力的升高,亚铁和铁之间的配位间的差异在高自旋态时消失了,而在低自旋态时仍然持续。研究人员对非桥接和桥氧的比例以及键断裂/形成事件的速率分析表明,就网格形成能力而言,亚铁和三价铁具有同等作用。铁在不同氧化态下的预测结构行为通常与MgO–FeO–SiO 2的实验推论一致。但与其他实验数据的结果不同的是,通常认为三价铁会增加熔体粘度而二价铁会降低熔体粘度,但模拟结果认为亚铁和三价铁由于其结构等价性,可能对铁的动力学行为产生的影响无显著差异。


(神秘地底熔岩——开个玩笑)

核幔边界处因热力学扩散产生的铁同位素分馏

地球地幔底部的D''层表现出独特的地震特性,其原因可能是来自下方液态富铁外核的热损失以及与之相关的化学作用。而本月,一篇发表在Nature Geoscience上的工作表明,由于D''层内的温度变化而引起的质量转移也会导致铁同位素的显著分馏。研究人员通过在2100–2300 K和2 GPa的成核液态铁合金上进行的实验来限制同位素的分馏程度,研究表明重铁同位素会优先向较低温度迁移,而轻的铁同位素会向高温端迁移。研究人员发现,由于铁的高度迁移性,这种同位素分馏会快速发生,在稳定状态下达到每AMU每度0.013‰。而进一步的数值模拟表明,核幔边界正上方的铁同位素分馏在地质时间尺度上可以达到可测量到的水平,并且地幔柱可以将这种分馏的物质夹带到对流的地幔中。他们认为,这种过程可能导致了上地幔的重铁同位素组成。他们指出,非传统的稳定同位素系统(例如Fe)可以用来制约地核与地幔的相互作用。


THE · END

新闻及图片来源:

https://www.sciencenews.org/article/mysterious-superconductor-wave-could-reveal-physics-materials

https://www.sciencenews.org/article/space-red-giant-stars-that-eat-planets-might-shine-less-brightly

https://www.sciencenews.org/article/stephen-wolfram-hypergraph-project-fundamental-theory-physics

https://www.sciencenews.org/article/unlike-earth-venus-gases-atmosphere-are-not-uniformly-mixed

https://www.sciencenews.org/article/oumuamua-broken-planet-fragment-comet-asteroid

Liu, J.-H., Zhou, L., Algeo, T. J., Wang, X.-C., Wang, Q., Wang, Y., & Chen, M.-L. (2020). Molybdenum isotopic behavior during intense weathering of basalt on Hainan Island, South China. Geochimica et cosmochimica acta. doi:10.1016/j.gca.2020.04.018

Jia, M., Yue, Z., Di, K., Liu, B., Liu, J., & Michael, G. (2020). A catalogue of impact craters larger than 200 m and surface age analysis in the Chang'e-5 landing area. Earth and Planetary Science Letters, 541. doi:10.1016/j.epsl.2020.116272

Ghosh, D. B., & Karki, B. B. (2020). Effects of valence and spin of Fe in MgSiO3 melts: Structural insights from first-principles molecular dynamics simulations. Geochimica et cosmochimica acta, 279, 107-118. doi:10.1016/j.gca.2020.03.040

Lesher, C. E., Dannberg, J., Barfod, G. H., Bennett, N. R., Glessner, J. J. G., Lacks, D. J., & Brenan, J. M. (2020). Iron isotope fractionation at the core–mantle boundary by thermodiffusion. Nature Geoscience. doi:10.1038/s41561-020-0560-y

撰稿:胡小蕾、肖子聪

美编:江陵

石头科普工作室出品


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