世界最強激光照射堅硬鑽石：模擬巨型氣體行星

新浪科技訊 北京時間7月18日消息，據國外媒體報導，鑽石是自然界中最為堅硬的物質，據報導，美國科學家利用“世界上最大的激光”，對鑽石在極端的壓力下受擠壓的情況進行了研究。這一壓力相當於土星核心的壓力，等於地核壓力的14倍。該實驗在美國國家點火裝置(National Ignition Facility)中進行，據發表在《自然》雜誌的研究稱，實驗為了解碳豐富的巨型行星的內部環境提供了線索。

“我們並不知道在木星和土星的內部隱藏什麼，但現在，我們第一次有能力了解在如此極端的壓力和溫度條件下，物質會以怎樣的方式存在。”研究第一作者、來自加州勞倫斯利福摩爾實驗室的雷·史密斯(Ray Smith)博士，“我們的實驗重建了巨型氣體行星——包括太陽系內和系外——內部的環境。”

“例如，已經有人提出，海王星內部可能存在大量的鑽石，這是由於在極端高壓下，甲烷會分解並壓縮。開普勒空間望遠鏡已經發現，在我們的銀河系中，與海王星體積差不多的行星十分常見。”

我們在夜空中看到的行星和恆星都是在強大的引力作用下形成的，它們內部的原子被緊密壓縮在一起。行星內部的極端高壓會使物質的特性發生戲劇性的變化。然而對科學家而言，在地球上重現這一環境是巨大的挑戰。

美國國家點火裝置(NIF)是一座激光型核聚變裝置，其建造意圖是使用激光達成極大高溫高壓，施於一小粒氫燃料球上啟動核聚變反應。該裝置擁有192門激光，可以在十億分之一秒同時發射擊中鉛筆頭大小的燃料球。在2013年電影《星際迷航：暗黑無界》中，國家點火裝置被用來作為企業號星艦中的躍遷引擎核心。

研究人員通過被稱為“動態斜面壓縮”的技術對碳進行壓縮。他們將176門激光同時照射在一個毫米級的鑽石上，后者位於一個直徑10米的鋁球中心。“這一實驗的挑戰在於保持足夠低的溫度，才能模擬像木星這樣的巨型氣體行星，”雷·史密斯博士，“我們通過小心調整激光強度的變化來做到這一點。這好比在犁田的時候，犁頭的速度要足夠慢，才能使沙土往兩邊分開，而不是堆積在一起。”

這些激光合起來的能量有0.76百萬焦耳(MJ)，可以生高達5000萬個大氣壓的壓力波作用在鑽石上。這一壓力與土星中心的壓力相似。“鑽石，已知最不可被壓縮的材料，在此被壓縮到了一個前所未有的密度——比鉛的密度還高，”論文的作者寫道。

隨壓力增加，研究者測量了鑽石的受力情況、密度和聲音特性。“現在，這些狀態方程可以與長期以來描述巨型氣體行星和恆星內部物質的理論進行比較，”論文作者寫道。在這樣的極端條件下，碳結晶的密度會變得比鑽石形態更高，科學家預測了一系列由此可能生的現象。

“有趣的是，實驗中並沒有檢測到任何這樣的形態變化，這或許是已經穩定下來，或許是因為某種未知的機制而延遲，”倫敦學院大學的克里斯·皮卡德(Chris Pickard)在文章中寫道，“不過，總體而言，實驗的結果與理論結算還是比較吻合的。”

對木星內部環境的了解，包括其核心是固體還是液體等，將幫助解決行星如何形成的爭論。“現在有兩個標準模型，”史密斯，“核心吸積模型(core accretion model)認為，木星一開始形成時是一個10倍地球質量的星體，具有足夠的引力捕獲並累積巨大的、厚厚的氫大氣層，也就是我們今天所看到的情形。”

“另一方面，巨行星不穩定模型(giant instability model)提出，這些巨型氣體行星是由於密度不穩定，導致引力波動，並最終使氫氣聚集起來而形成的。也就是，它們的形成不需要固體核。”

在太陽系之外，有一些行星的內部可能存在大量的鑽石，如曾被暱稱為“鑽石行星”的巨蟹座55e。“我們的數據將幫助確定這些行星是否真的富含碳，”史密斯，“如果我們想了解哪些地外行星適合居住，就必須對行星形成過程中所有可能的終物有廣泛的認識。”

不過，克里斯·皮卡德博士十分謹慎，他表示不應該把激光實驗的結果看得太重。“行星形成需要許多百萬年的時間，而報導中動態斜坡壓縮的過程卻只有一瞬，”他，“盡管已經達到了類似的溫度和壓力，但這些實驗是否能模擬大型氣體行星中存在的高密度岩石和冰塊呢？現在還不清楚。”

最后，克里斯·皮卡德博士還是鼓勵研究團隊對實驗進行提升，他：“盡管實驗中的壓力和密度已經很高，但大自然更加不可思議。這些巨型系外行星是通往恆星的踏板，那裏的壓強可以達到PPa級。”(任天)