系外行星的内部究竟是什么样的？

　　根据密度计算，地球地幔层的主要成分是硅酸盐矿物，其他岩石行星内部也主要由这种物质构成。地球内部圈层构造主要是由地球高压高温条件下硅酸盐所产生的结构变化所形成的，如上地幔和下地幔之间的边界。科研小组正尝试研究模拟遥远行星环境下新型硅酸盐是如何形成和反应的。图片来源：KalliopiMonoyios
　　在我们星球深处所发生的物理化学变化是我们所有已知生命赖以生存的根本。那么，又是何种力量在控制着遥远行星的内核呢，这些条件是否与人类宜居性有关呢？由卡内基地球和行星实验室所领导的新工作是基于实验室的模拟仿真来研究一种新的晶体结构，而这将会对我们理解系外的大型岩质行星的内部结构产生深远影响。这项研究发表于《美国国家科学院院刊》上。
　　卡内基大学的拉杰克里希纳杜塔（RajkrishnaDutta）解释道：是否能维持一个可以使生命茁壮成长的地表环境取决于地球内部的动力学，地球动力学可以解释诸如地球磁场是如何形成，地球的大气层是如何被塑造的等。相比地球内部而言，一些在系外的大型岩质行星（如超级地球）深处所发现的情况可能更加极端。根据人们对密度的计算，硅酸盐矿物是地球地幔的构成成分，也被认为是其他岩状行星内层的主要组成成分。地球上的硅酸盐在高温高压条件下的结构变化是形成如上地幔和下地幔之间的地球内部构造边界的主导因素。
　　图片来源：pixabay
　　该研究小组包括卡内基的SallyJuneTracy、RonCohen、FrancescaMiozzi、KaiLuo和JingYang，以及内华达大学拉斯维加斯分校的PamelaBurnley、阿贡国家实验室的DeanSmith和YueMeng、芝加哥大学的StellaChariton和VitaliPrakapenka以及普林斯顿大学的ThomasDuffy，这些学者对研究新形硅酸盐在模拟的系外行星情况下如何形成和反应颇感兴趣。Duffy指出：数十年来，卡内基的研究人员是再现行星内部条件研究方面的领导者，他们将小的材料样本置于高温高压下进行研究。然而，科学家在实验室中重现系外行星的内部环境时遇到了瓶颈。根据理论模型，在一定的压力范围内，处于比地球质量至少大四倍的系外岩质行星的地幔层中的硅酸盐理应会出现新的相变过程，而这一转化过程却迟迟未被发现。
　　锗酸镁，Mg2GeO4，和硅酸盐矿物十分相似，借此研究团队可以收集到超级地球和其他大型的系外岩质行星的相关矿物学信息。在大约200万倍的大气压力下会产生一种具有独特的晶体结构的新相，即一个锗原子与八个氧原子结合。这种新的八配位、内在无序的矿物则可能会深刻影响行星的内部温度和动力学。图片来源：RajkrishnaDutta
　　我们也可以将锗替代硅作为研究对象，因为这两种元素能形成类似的晶体结构，而锗却能在较低的温度和压力下产生实验室中更易控制的化学相转变。锗酸镁，Mg2GeO4，与地幔中最丰富的硅酸盐矿物十分相近，借此研究团队可以收集到超级地球和其他大型的系外岩质行星的相关矿物学信息。约200万倍大气压力下会产生一种具有独特的晶体结构的新相，即一个锗原子将与八个氧原子结合。
　　Cohen认为：对我来说最有意思的地方在于镁和锗这两种非常不同的元素在结构中可以相互替代。在环境条件下，大多数硅酸盐和锗酸盐是以四面体结构组织形成的，即一个硅或锗原子处在中心位置再与其他四个原子相结合。然而，这种情况会在极端条件下发生变化。Tracy解释说：在极端压力下，硅酸盐可以形成六个环绕的结构，这一事实完全改变了科学家对地球深部动力学的理解，而八键结构的发现可能在我们对系外行星内部动力学的认知上产生革命性的影响。
　　翻译：范嘉豪
　　审校：董子晨曦
　　引进来源：卡内基科学研究所
　　本文来自：中国数字科技馆