行星 图片来源：Pixabay
大约25年前，第一颗围绕另一颗类太阳恒星运行的外星星体被世界发现，天文学家开启了所谓的“系外行星革命”。随着发现的脚步不断加快，新的数据开始大量涌进，很明显，宇宙中充满了行星，包括大行星、小行星，以及被它们的恒星炙烤或冻结在系统外围的行星，其中绝大多数被发现的行星在大小和轨道上都不同于我们在太阳系中拥有的任何行星。在短短25年的时间里，人类就从基本上不知道太阳系以外的世界，到现在在我们的目录中拥有数千个世界。但即使已经拥有了这些进步，我们仍对这些世界的真实面貌以及对生命的可能性一无所知。因为缺乏星际旅行的物理学突破，我们似乎不太可能访问任何系外行星，更不用说能去到很多行星了。因此探索它们基本问题的确切答案，一直以来都超出了我们的能力范围。
现在，新的技术与合作正在使系外行星革命以惊人的速度发展，不是飞向恒星，而是进入尖端等离子体物理实验室的深处。通过使用足球场大小的激光器、仓库大小的电磁体和其他极端机器，来自各个学科的科学家正在将他们关于系外行星的一些最高深的问题带到地球上，放弃望远镜转而以更深入、更直接的方式观察外星世界的心脏。
要真正了解一颗行星，无论是围绕我们的太阳还是一些遥远的恒星运行，科学家们必须了解它的内部深层结构，液体岩石和金属的翻腾流动可以产生强大的磁场并使板块运动。但就像用水肺深潜在海浪之下的潜水员一样，研究行星内部的研究人员必须学会应对深处的高压。可是，与潜水员的发现不同，行星内部的压力如此之高以至于物质本身呈现出令人困惑的新形式。加州大学伯克利分校的行星科学家雷蒙德·让洛兹说：“在木星大小的行星内部，压力比我们在地球表面所承受的压力高7000万倍。”“在这些压力下，物质的行为方式并不容易被真正理解。”
这就使巨大的激光器和巨大的电磁体有了用武之地。
挤压超级地球
卡内基科学研究所研究员费英伟想了解宇宙中最丰富的行星种类：超级地球。我们的太阳系明显没有这些星球，它们的质量是地球的2到10倍。但是多项独立的系外行星调查表明，我们的银河系充满了这类星球。由于这些行星非常普遍，即使一小部分超级地球被发现是宜居的，它们也将成为几个世纪以来，天文学家寻找外星生命并将地球生物学置于宇宙环境中的主要目标。“这就是为什么要大力推动了解这些世界，”费说。让洛兹则更诗意地说道：“如今，超级地球在每个天文学家的眼中闪烁。”然而，因为它们的质量更大，超级地球内部的压力约为1000万个大气压——比我们的星球核心压力高出几倍。为了了解超级地球，费和他的研究人员必须找到一种方法来研究那些极端压力下的物质。“我们需要做一些非常规的事情，”他说。
行星科学家通常会用在两颗钻石之间挤压微小的岩石或金属样品的方法对物质施加高压。但这些“钻石砧室”设备只能达到几百万个大气压，相比于超级地球内部的挤压来说太低了。为了获得更大的压力，费和他的团队将他们的岩石样本带到了桑迪亚国家实验室强大的“Z机器”。这台机器是世界上最大的Z箍缩，一种最初设计用于研究核聚变的等离子体物理设备，这是一个汤罐大小的金属丝笼，位于一系列仓库大小的电容器组的顶部。当你打开“Z机器”上的开关时，一股海啸般的电流将从电池涌入电线，纳秒长的电流脉冲会产生强大的磁场，这种磁场非常强大，以至于它们会猛烈地内爆导线，使放置在里面的任何东西都受到一个力，或者更确切地说是“挤压”，用一个接近于引爆热核弹头的力去“挤压”。
这正是费和他的合作者们需要的来获得少量布里奇曼石样本的挤压，布里奇曼石是一种富含于地球下地幔的矿物，可承受超级地球压力。经过几个月的精心设计和制造充满布里奇曼石的“目标”，费和他的团队前往桑迪亚并爆破（或“挥霍”）珍贵的样品。数据显示，这种矿物有令人意想不到特性，直到达到比地球内部压力高得多的温度才会熔化。熔化并流动的物质是产生行星磁场的先决条件，而磁场本身可能是保护行星生物圈免受来自其宿主恒星的破坏性辐射爆发所必需的。由于天文学家迫切地想知道超级地球是否拥有这样一个保护性磁场，费的研究结果被视为一个重要的进步。
对于费来说，巨大的聚变等离子体机器与行星科学的结合代表了一条通向未来的道路。“只有大型激光器和Z机器才能让我们达到直接模拟大行星内部条件所需的压力，”他说。
月球和岩浆之海
此类实验证明了科学家跨越学科界限推动系外行星科学进步的力量。然而，跨学科也有其自身的问题，即让来自不同领域的研究人员相互了解并不容易。等离子体物理实验员的培训和文化与行星科学家的大不相同。仅仅学习每个学科对同一物理过程的不同术语可能就是一个障碍。更复杂的是，理解超级地球和其他大质量行星不仅需要等离子体物理学家和行星科学家的努力，更需要观察系外行星的天文学家付出和凝聚态物理学家研究极度高压下的材料。因此有很多人需要参与进来。
对于加州大学戴维斯分校的行星科学家莎拉·斯图尔特来说，让这些学科协同工作对于进一步发展至关重要。“我们使用我称之为‘最佳猜测’的科学来模拟大行星的结构已经有一段时间了，”她说。也就是说，行星科学家对物质在非常高的压力下可能如何表现有几个合理的理论想法，但他们缺乏数据。她说，现在越来越多令人惊讶的数据来自基于实验室的模拟行星内部，“如何利用有意义的方式使用数据的关键在于每个人都必须相互交流。”
在很大程度上，这促使来自七个不同机构的研究人员最近成立了原子压物质中心(CMAP)。五年来，CMAP获得了美国国家科学基金会近1300万美元的资金，其目标是建立深入、长期和跨学科的合作，以攻克科学家在极端条件下新兴物质图景中的盲点。全披露：我是一名参与CMAP合作的天体物理学家。）CMAP位于罗彻斯特大学激光能量学实验室(LLE)，利用巨型OMEGA激光系统将物质挤压到新的极端状态。与Z机器一样，OMEGA激光器主要是一种探索聚变能的仪器。足球场大小的激光器有60束高强度光束，用于喷射氢丸，直到它们达到类似于太阳内的条件。这个过程也可以用来模拟超级地球内部的条件。因此，OMEGA激光器提供了直接到达这些世界中心的条件的方法，而这些条件则设定了他们承载生命的能力。激光器还可以让CMAP科学家看到木星大小的世界内部，甚至行星碰撞的炽热后果。
例如，现在，斯图尔特和她在LLE的合作者们正在使用OMEGA激光探测早期地球与被认为形成月球的火星大小的天体之间的碰撞。他们面临的问题是，在撞击发生时，地球表面尚未从因行星形成所产生的热量中冷却下来，并且覆盖着难以准确模拟的岩浆海洋。“我们想知道岩浆海洋如何吸收地球与另一个世界碰撞的能量，”斯图尔特说。
灼热的岩浆 图片来源：Pixabay
在费尽心力找到将液化岩石样本送入OMEGA激光室的方法后，斯图尔特和她的合作者用激光轰击样本，以模拟行星撞击产生的冲击波。尽管尚未分析该实验的数据，但斯图尔特表示已经有惊喜的发现。研究人员曾预测，液化材料比固体岩石更容易挤压，但他们在实验中观察到的“可压缩性”甚至比预期的还要大。这种意料之外的结果正可以用来显著改善先前存在的行星撞击形成月球模型。
木星的胶质心脏和土星的氦雨
为了支持这样的小众实验，研究人员还使用CMAP来改进原子在极端压力下的行为方式的系统视图。
“这一切确实有一个基本的物理学面，”让洛兹说，他在过去的几十年里一直是使用等离子物理机器发展行星科学的先锋。“当你承受数百万个大气压的压力时，挤压原子的能量与化学键的能量相当。这意味着，在这些压力下，物质的基本化学性质将发生变化。”例如，在常压下，岩石中的氧原子就像不能导电的绝缘体。然而，在一颗大行星的深处，氧原子将开始表现出金属的性质，它们的核压被锁定在适当的位置，但它们的电子变得可以自由流动。本质上，这意味着，对于像木星这样真正的大行星来说，“岩石核心”的概念可能完全是用词不当。“与其说像岩石一样，”让洛兹说，“我们真的应该把大行星的中心想象成某种金属化的氧气果冻。”
即使是最简单的元素在巨行星压力下也会成为一个谜题。在发表在《自然》杂志上的一篇论文中，法国和美国（包括让洛兹）的研究人员在LLE和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施中使用了多个巨型激光器来研究土星和木星中的“氦雨”现象。在气态巨行星的深处，几乎深不可测的压力将氢和氦挤压成更类似于汞的金属流体。这些流体在这种行星内部深处的外部很好地混合在一起，但在深处，原子理论的原则预测它们会像水和油一样“分离”。“由于氦比氢重，因此当分离发生时，氦向下落，从而产生热量，”让洛兹说。这种“氦雨”可能就是土星发出的热辐射多于从太阳吸收的热辐射的原因。
土星和木星 图片来源：Pixabay
为了验证这一理论，让洛兹和他的同事首先使用金刚石砧合成了具有不同氢氦比例的“预压缩”样品。“这些元素不容易在室温和压力下混合，”让洛兹解释说。通过在氢气和氦气被带入激光靶室之前对其进行足够硬的挤压，该团队生产出已经液化并充分混合的样品，使大量激光更容易在其中激发强大的冲击波，以复制出气态巨行星的内部深处。将氢气和氦气的纯样品与预压缩混合物进行比较，该团队证实了氦雨理论的基本细节，同时还观察到微妙的表明需要进一步理论阐释的新细节。
探索奇异的、塑造行星的氦雨化学，或者抛弃经典但有缺陷的木星大小世界中岩石核心的概念只是等离子体物理实验室、天文学家和行星科学家从第一原则开始合作探索的广阔且大部分未知领域的两个例子。当不同的团体学着相互交融时发生的创造性“炼金术”正是系外行星科学现在需要的，因为它进一步推动了其未探索的前沿。“地球物理学家习惯于考虑具有非常特定晶体结构的不同矿物相，”斯图尔特说。“但是在我们对CMAP感兴趣的压力下，你不能再那样想了。我们甚至还没有词汇来描述可能发生的事情，但这就是我们希望发展的。”
斯图尔特、让洛兹和费正在构建的新词汇所代表的不仅仅是一些科学家尝试新的合作。相反，它开启了最新、最激动人心的科学前沿之一。通过将激光驱动的、对原子尺度物质集体行为的高科技研究与对行星尺度全局特性的望远镜探索相结合，一个全新的宇宙窗口被打开了。这种微观和宏观的独特综合可能是我们最好的，也是唯一了解为生命盛宴准备的的行星餐桌的途径。
撰文：亚当·弗兰克
翻译：贾荣轩
审校：殷姝雅
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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