像天王星和海王星这样的大行星，可能含有游离氢比之前假设的要少得多。来自德国Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)研究人员将激波穿过两种类型的塑料，使其达到这些行星内部存在的相同温度和压力，并利用超强x射线激光脉冲观察了这种行为。出乎意料的是，其中一种塑料即使在最极端压力下也能保持其晶体结构。据《科学报告》(Scientific Reports)报道，由于冰巨星内部的组成成分与塑料相同，行星模型可能需要部分重新考虑。
博科园-科学科普：碳和氢是宇宙中最丰富的元素之一，也是天王星和海王星等冰冷巨行星的主要成分。在大气层外，这些原子以甲烷的形式存在，但在大气层深处，高压会导致更复杂的碳氢化合物结构。预测物质在这些条件下的相和结构是行星研究的重要问题之一。为了更好地了解冰巨行星的结构，由HZDR的两位研究人员Nicholas Hartley博士和Dominik Kraus博士领导的一个国际团队在实验室实验中研究了两种塑料：聚苯乙烯和聚乙烯。这些物质在化学上与行星内部的碳氢化合物相似。在美国SLAC国家加速器实验室科学家们将这些样本暴露在海王星和天王星表面以下约1万公里处的环境中。
即使在极高的压力下，比如海王星或天王星的内部，也有稳定的碳(橙色)和氢(灰色)晶体结构。HZDR研究人员这一发现揭示了冰巨星内部结构的新可能性。图片：HZDR / J. Vorberger
在这个深度，压力几乎和地核一样高，是地球表面大气压力的200万倍。在如此高的压力和温度下，研究人员认为唯一可能的结构是钻石，或者样品会被熔化。相反观察到稳定的碳氢化合物结构达到最高压力，但只有聚乙烯样品；哈特利说：我们对这个结果感到非常惊讶，我们没想到在如此极端的条件下，不同初始状态会造成如此大的差异。直到最近，随着更明亮的x射线源发展，才能够研究这些材料。我们是第一个想到这可能的人——而且确实是这样。由于实验室冰巨星内部的极端条件只能在很短时间内达到，研究人员需要闪电般的测量方法。
目前，世界上只有为数不多的超快x射线激光设备，用于测量的时间非常少，而且要求很高。克劳斯和哈特利的实验总共获得了三个12小时的轮班，因此他们必须利用每一分钟进行尽可能多的测量。用x射线激光冲击样品和探针只需要十亿分之一秒。即使在实验期间，研究人员也能识别出最初的结果：我们非常兴奋，因为正如所希望的那样，聚苯乙烯形成了类金刚石的碳结构。然而，对于聚乙烯，没有看到符合实验条件的金刚石。
相反，有一个新的结构，一开始无法解释，通过将数据与之前在较低压力下的结果进行比较，他们认为这是一种稳定的聚乙烯结构，在较低的压力下，只有在环境温度下才可以看到这种结构。这一发现表明，为了更好地了解冰晶的结构和物理特性，更好地描述冰晶内部温度和压力条件以及由此产生化学物质的重要性。天王星和海王星的模型假设，这些行星不寻常的磁场可能来自自由氢，这些结果可能意味着，这比预期的要少。未来，研究人员希望使用包括氧气在内的混合物来更好地匹配行星内部的化学成分。
博科园-科学科普｜研究/来自:亥姆霍兹德国研究中心协会
参考期刊文献:《Scientific Reports》
DOI: 10.1038/s41598-019-40782-5
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