冰质行星上的"钻石雨"可能是驱动其磁场的来源

一项新的研究揭示，海王星和天王星等冰质行星上的"钻石雨"是在没有以前认为的那么极端的条件下形成的。这种现象影响着行星的内部动力学和磁场，也可能发生在较小的系外行星上。

一项新的实验表明，这种奇特的沉淀物形成的压力和温度比以前认为的还要低，可能会影响海王星和天王星的异常磁场。

由美国能源部 SLAC 国家加速器实验室研究人员领导的一个国际研究小组对海王星和天王星等冰行星上钻石的形成有了新的认识。科学家们认为，这些钻石在形成之后，会在引力的作用下慢慢沉入行星内部深处，从而形成来自较高层的宝石"雨"。

1月8日发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）上的研究结果表明，这种"钻石雨"形成的压力和温度比以前想象的还要低，并为海王星和天王星复杂磁场的起源提供了线索。

行星磁场的启示

"冰行星上的'钻石雨'给我们带来了一个亟待解决的难题，"领导这项研究的SLAC科学家蒙戈-弗罗斯特（Mungo Frost）说。他说："它提供了内部热源，并将碳带入行星深处，这可能会对行星的性质和组成产生重大影响。它可能会引发这些行星上发现的导电冰内部的运动，从而影响它们磁场的产生"。

欧洲 XFEL 的 HED 实验站。资料来源：欧洲 XFEL / Jan Hosan

实验和观测

早先在 SLAC 的里纳相干光源（LCLS）X 射线自由电子激光器（XFEL）上进行的工作中，科学家们观测到了在高压条件下形成的"钻石雨"，证实了在冰行星上形成钻石的可能性，冰行星主要由水、氨和碳氢化合物组成。他们后来发现，氧气的存在使钻石的形成更有可能，从而使钻石能够在更广泛的条件下和更多的行星上形成和生长。

以前，高压和高温是通过高功率激光对碳氢化合物进行冲击压缩产生的，这样的条件只能维持几纳秒。在德国欧洲 X 射线自由电子激光器进行的这项新实验中，研究小组采用了一种不同的方法，研究了比其他实验更长时间尺度的反应。

在这项实验中，研究人员将以碳氢化合物聚苯乙烯为碳源制成的塑料薄膜置于冰冻行星内部深处的极端压力和温度下。高压是通过使用"钻石砧单元"将薄膜挤压在两颗钻石的尖端之间产生的。然后将胶片暴露在欧洲 XFEL 产生的多剂量高能 X 射线下，将其加热到 2200 多摄氏度，模仿这些行星深处的极端条件。在这种极端条件下，钻石从胶片中形成，这一过程与行星内部的形成过程相同。

接下来，研究人员利用欧洲 XFEL 产生的 X 射线脉冲来观察实验过程中钻石形成的时间和方式。通过观察钻石形成时的压力和温度，研究人员可以预测钻石在行星内部形成的深度。

磁场之谜

通过在更长的时间尺度上对加热的碳氢化合物进行研究，研究人员发现，钻石形成的压力和温度比之前假设的还要低。就天王星和海王星而言，这意味着钻石雨的形成深度比最初设想的要浅，可能对其异常磁场的形成产生更大的影响。

与地球磁场不同，这些冰冻行星周围的磁场并不对称，也不是从每一极延伸出来的。这些特性表明，磁场并不是在行星内核中产生的，而是在一层薄薄的导电物质中产生的。

钻石颗粒形成后，会拖着气体和冰从行星的外层向内层降落，造成冰流。新的研究结果表明，钻石是在一层导电冰上形成的，钻石在下落过程中会搅动这层导电冰。由此产生的电流就像一种驱动行星磁场的发电机。

对系外行星的影响

研究结果还表明，比海王星和天王星小的气态行星--即所谓的"小海王星"--也有可能出现钻石雨，而"小海王星"是太阳系外最常见的系外行星类型之一。

接下来，研究人员正在计划进行类似的实验，这将使他们更接近于了解钻石雨是如何在其他行星上形成并影响其性质的。

"这一突破性发现不仅加深了我们对本地冰质行星的了解，而且对了解太阳系外系外行星的类似过程也有意义，"SLAC 高能密度主任 Siegfried Glenzer 说。

编译自/ScitechDaily