產(chǎn)品詳情
氫是宇宙基本元素，是宇宙最主要組成成分，氫氣在生命進化過程中具有核心地位，氫氣對生命健康的作用研究也越來越受到重視，氫氣的神奇無處不在。最近《自然》雜志上有學者發(fā)現(xiàn)，1萬個大氣壓超高壓條件下，氫氣能和二氧化硅（玻璃和土的主要成分）反應產(chǎn)生水，且可能是某些行星上日常發(fā)生的過程。這里的實驗中，發(fā)現(xiàn)特別高壓情況下，氫氣能滲透到金剛石內(nèi)，這是不是讓人感到毛骨悚然的厲害。氫氣的擴散性如此巨大，壓力高時能進入鋼鐵材料內(nèi)部，特別高壓能進入金剛石內(nèi)部，普通壓力下擴散到塑料等材料當然容易。人體內(nèi)氫氣擴散，幾乎就是如入無人之境了。
在高壓環(huán)境下，氫氣與巖漿發(fā)生反應可生成水。這一發(fā)現(xiàn)或能解釋為何在某些本無法凝結出水的區(qū)域，會存在“富水行星”。 對銀河系的探測研究表明，宇宙中最常見的行星類型通常與其宿主恒星的距離，比太陽系內(nèi)最內(nèi)側行星——水星與太陽的距離還要近。由于這些行星的公轉軌道離宿主恒星過近，在其形成之初，構成行星的巖石中根本無法融入凝結態(tài)的水1。然而，令人困惑的是，觀測證據(jù)顯示部分此類行星的大氣層中含有水分2、3。有一種觀點認為，這類富水行星可能是在形成后逐漸遷移到離宿主恒星更近的軌道上的?。但霍恩（Horn）等人在《自然》（*Nature*）期刊中發(fā)表的研究卻提出了另一種可能：某些行星與其厚重的氣態(tài)大氣層在高壓條件下發(fā)生化學反應，或能生成大量水分——這使得在宿主恒星附近也能形成富水行星?。 這類行星不僅與宿主恒星保持著特定距離，其半徑也介于地球和海王星之間，因此被稱為“亞海王星”（sub-Neptune）。對亞海王星的普遍建模結構為：核心是鐵合金，外層包裹著一層硅酸鹽（含硅和氧的物質(zhì)，常以SiO?離子形式存在），最外側則是一層以氫和氦為主的大氣層（或稱“包層”）。 亞海王星包層與行星本體交界處的壓力，可能是地球大氣壓的1萬倍以上，溫度更是高達數(shù)千開爾文（K）。在這樣的極端條件下，硅酸鹽層會形成液態(tài)的巖漿“海洋”，而包層最內(nèi)側的氫氣則會呈現(xiàn)為高密度流體狀態(tài)。 研究人員探究了在這種環(huán)境下，氫氣是否可能與硅酸鹽發(fā)生反應生成水。實驗室中，可借助“金剛石對頂砧”（diamond anvil cell）裝置模擬亞海王星包層-行星交界處的高溫高壓環(huán)境——該裝置通過兩塊金剛石對頂擠壓來壓縮樣本。為達到實驗所需的高溫，研究人員還會通過金剛石砧對樣本進行激光加熱。
不過，開展金剛石對頂砧實驗頗具挑戰(zhàn)性：在高溫高壓下，氫氣會擴散到金剛石內(nèi)部，可能導致砧體發(fā)生毀滅性破裂。為最大限度減少氫氣擴散，霍恩團隊并未采用持續(xù)加熱的方式，而是施加了數(shù)千次微秒級激光脈沖，使浸沒在氫氣中的微米級硅酸鹽與鐵顆粒溫度達到2250至4000開爾文。由于實驗體系的尺度極小且溫度極高，該系統(tǒng)很可能達到了化學平衡狀態(tài)，這意味著反應的進程不受時間影響。 研究人員的核心研究結果聚焦于一系列產(chǎn)水反應：硅酸鹽熔體中的二氧化硅（SiO?）與鐵、氫氣發(fā)生反應，生成鐵硅合金、鐵氫合金、硅烷（SiH?）以及水?；舳鲌F隊的實驗重點研究了不同硅酸鹽礦物參與的反應，包括橄欖石（(Mg, Fe)?SiO?）與二氧化硅（SiO?）的反應。 目前，鐵在亞海王星硅酸鹽部分與包層的化學反應中所起的作用尚不明確，因為普遍觀點認為，這類行星中的鐵大部分會被“封存”在行星深部?。但研究人員通過實驗證實，即使是二氧化硅與氫氣之間更簡單的反應，同樣能夠生成水。 未來研究的一個明確方向是加入更多化學成分：已有觀測發(fā)現(xiàn)，一顆亞海王星的大氣層中存在二氧化碳和甲烷?，另一顆則檢測到一氧化碳3。這些化合物中的碳元素，或許在包層-行星交界處的化學反應中扮演著重要角色。 霍恩團隊計算得出，若亞海王星中所有可利用的硅酸鹽都與氫氣發(fā)生反應，通過產(chǎn)水反應形成的行星，其水的質(zhì)量占比可達16%至29%。這一比例遠高于低溫實驗?和此前計算?得出的估算值。 但問題在于，行星各組成部分之間實際會發(fā)生多少化學反應呢？要理解這一問題為何是行星科學中至關重要的基礎性問題，我們可以結合太陽系內(nèi)的例子思考：若地球中相對較少的水分能與厚重的鐵核完全達到平衡（這一過程涉及的反應路徑與霍恩團隊研究的不同），那么地球早就會變得干旱缺水，成為一片荒漠。 霍恩及其同事通過分析實驗結果，試圖厘清亞海王星內(nèi)部高壓化學反應的進程。首先，亞海王星的產(chǎn)水能力取決于其包層的初始質(zhì)量——包層質(zhì)量決定了包層底部的溫壓條件，以及可用于化學反應的氫氣量。因此，系外行星能夠大量產(chǎn)水的條件可能十分苛刻。
亞海王星內(nèi)部通過高壓化學反應生成水的不同情景 銀河系中最常見的行星類型是亞海王星。這類行星與宿主恒星距離過近，形成時本無法凝結出水，但有證據(jù)表明部分亞海王星的大氣層富含水分。對亞海王星的普遍建模結構為：鐵合金核心外包裹著一層由硅酸鹽（含硅和氧的物質(zhì)，常以SiO?離子形式存在）構成的巖漿“海洋”，最外側是一層以氦和氫為主的氣態(tài)包層?；舳鞯热?的研究發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽與氫氣在高壓下發(fā)生反應可生成水和硅烷（SiH?），他們認為這一反應或能促使富水亞海王星形成。研究人員還探討了以下幾種情景： a. 在熱梯度和密度梯度驅動的流體流動（即對流）作用下，反應產(chǎn)物可能會在包層和巖漿海洋中傳輸； b. 另一種可能是，反應產(chǎn)物會形成一層阻隔層，抑制后續(xù)化學反應的發(fā)生（即分層現(xiàn)象）。 對流與分層之間的平衡狀態(tài)，決定了亞海王星通過高壓反應可生成的水量。 此外，行星的演化過程與動力學特征也會影響各類化學反應的速率。亞海王星的各組成部分（如鐵、硅酸鹽、富水流體以及氫氦混合物）密度不同，因此往往會形成不同的分層。但在行星的熔融層和包層中，通常會發(fā)生“對流”現(xiàn)象——溫度較高或密度較低的物質(zhì)上升，溫度較低或密度較高的物質(zhì)下沉——這一過程可能會將不同組成部分混合在一起。 對流作用可將水和硅烷向上輸送至包層中?；舳鲌F隊還提出，在他們所研究的實驗條件下，包層中的氫氣會溶解到硅酸鹽巖漿海洋中，并通過對流被帶入硅酸鹽層，因此產(chǎn)水反應或許會在行星深部持續(xù)進行。不過也有研究認為，反應產(chǎn)物可能會在硅酸鹽巖漿與包層之間形成一層阻隔層1?。這種分層現(xiàn)象可能會減緩產(chǎn)水反應的速率；若形成的阻隔層密度高于其上方物質(zhì)，還會阻礙對流的發(fā)生。霍恩團隊通過對流模擬計算發(fā)現(xiàn)，亞海王星內(nèi)部由對流驅動的混合過程具有溫度依賴性：當溫度低于3500開爾文時，會出現(xiàn)分層現(xiàn)象；而溫度更高時，水則會混合到包層中。但其他模擬研究卻顯示，當溫度高于2500開爾文時?，包層底部附近會形成一層富含硅烷和水的區(qū)域，這會抑制對流混合。 天文學家該如何尋找證據(jù)，證明某些行星能通過高壓化學反應自行生成水呢？歸根結底，反應產(chǎn)物能否被觀測到，關鍵取決于對流混合與分層作用之間的平衡?；舳鲌F隊計算認為，在包層-行星交界處生成的部分水會混合到包層中，但也有研究提出，此類行星中多達95%的水會溶解到巖漿海洋和鐵核中11，因此這些行星可能無法被識別為“富水行星”。目前，亞海王星溫壓環(huán)境下硅烷的密度尚未確定，但可能低于水的密度——若情況屬實，硅烷會更容易混合到包層中。然而，通過光譜法檢測硅烷存在較大難度12。因此，若能在某顆亞海王星的大氣層中同時觀測到大量硅烷和水，或許是證明部分行星可通過高壓化學反應生成水的唯一途徑。 霍恩團隊的研究結果凸顯了行星內(nèi)部長期存在的一個未知問題：對流混合與分層作用的相對程度。對于亞海王星而言，水和硅烷究竟會混合到包層中、溶解到下方的硅酸鹽巖漿里，還是在硅酸鹽與包層的界面處形成中等密度的分層？無論如何，該研究證實了在靠近宿主恒星的天體中也能生成水和硅烷，這為行星科學家提供了一種新機制，可用于解釋銀河系中最常見行星的化學成分與動態(tài)演化過程。
不過，開展金剛石對頂砧實驗頗具挑戰(zhàn)性：在高溫高壓下，氫氣會擴散到金剛石內(nèi)部，可能導致砧體發(fā)生毀滅性破裂。為最大限度減少氫氣擴散，霍恩團隊并未采用持續(xù)加熱的方式，而是施加了數(shù)千次微秒級激光脈沖，使浸沒在氫氣中的微米級硅酸鹽與鐵顆粒溫度達到2250至4000開爾文。由于實驗體系的尺度極小且溫度極高，該系統(tǒng)很可能達到了化學平衡狀態(tài)，這意味著反應的進程不受時間影響。 研究人員的核心研究結果聚焦于一系列產(chǎn)水反應：硅酸鹽熔體中的二氧化硅（SiO?）與鐵、氫氣發(fā)生反應，生成鐵硅合金、鐵氫合金、硅烷（SiH?）以及水?；舳鲌F隊的實驗重點研究了不同硅酸鹽礦物參與的反應，包括橄欖石（(Mg, Fe)?SiO?）與二氧化硅（SiO?）的反應。 目前，鐵在亞海王星硅酸鹽部分與包層的化學反應中所起的作用尚不明確，因為普遍觀點認為，這類行星中的鐵大部分會被“封存”在行星深部?。但研究人員通過實驗證實，即使是二氧化硅與氫氣之間更簡單的反應，同樣能夠生成水。 未來研究的一個明確方向是加入更多化學成分：已有觀測發(fā)現(xiàn)，一顆亞海王星的大氣層中存在二氧化碳和甲烷?，另一顆則檢測到一氧化碳3。這些化合物中的碳元素，或許在包層-行星交界處的化學反應中扮演著重要角色。 霍恩團隊計算得出，若亞海王星中所有可利用的硅酸鹽都與氫氣發(fā)生反應，通過產(chǎn)水反應形成的行星，其水的質(zhì)量占比可達16%至29%。這一比例遠高于低溫實驗?和此前計算?得出的估算值。 但問題在于，行星各組成部分之間實際會發(fā)生多少化學反應呢？要理解這一問題為何是行星科學中至關重要的基礎性問題，我們可以結合太陽系內(nèi)的例子思考：若地球中相對較少的水分能與厚重的鐵核完全達到平衡（這一過程涉及的反應路徑與霍恩團隊研究的不同），那么地球早就會變得干旱缺水，成為一片荒漠。 霍恩及其同事通過分析實驗結果，試圖厘清亞海王星內(nèi)部高壓化學反應的進程。首先，亞海王星的產(chǎn)水能力取決于其包層的初始質(zhì)量——包層質(zhì)量決定了包層底部的溫壓條件，以及可用于化學反應的氫氣量。因此，系外行星能夠大量產(chǎn)水的條件可能十分苛刻。
亞海王星內(nèi)部通過高壓化學反應生成水的不同情景 銀河系中最常見的行星類型是亞海王星。這類行星與宿主恒星距離過近，形成時本無法凝結出水，但有證據(jù)表明部分亞海王星的大氣層富含水分。對亞海王星的普遍建模結構為：鐵合金核心外包裹著一層由硅酸鹽（含硅和氧的物質(zhì)，常以SiO?離子形式存在）構成的巖漿“海洋”，最外側是一層以氦和氫為主的氣態(tài)包層?；舳鞯热?的研究發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽與氫氣在高壓下發(fā)生反應可生成水和硅烷（SiH?），他們認為這一反應或能促使富水亞海王星形成。研究人員還探討了以下幾種情景： a. 在熱梯度和密度梯度驅動的流體流動（即對流）作用下，反應產(chǎn)物可能會在包層和巖漿海洋中傳輸； b. 另一種可能是，反應產(chǎn)物會形成一層阻隔層，抑制后續(xù)化學反應的發(fā)生（即分層現(xiàn)象）。 對流與分層之間的平衡狀態(tài)，決定了亞海王星通過高壓反應可生成的水量。 此外，行星的演化過程與動力學特征也會影響各類化學反應的速率。亞海王星的各組成部分（如鐵、硅酸鹽、富水流體以及氫氦混合物）密度不同，因此往往會形成不同的分層。但在行星的熔融層和包層中，通常會發(fā)生“對流”現(xiàn)象——溫度較高或密度較低的物質(zhì)上升，溫度較低或密度較高的物質(zhì)下沉——這一過程可能會將不同組成部分混合在一起。 對流作用可將水和硅烷向上輸送至包層中?；舳鲌F隊還提出，在他們所研究的實驗條件下，包層中的氫氣會溶解到硅酸鹽巖漿海洋中，并通過對流被帶入硅酸鹽層，因此產(chǎn)水反應或許會在行星深部持續(xù)進行。不過也有研究認為，反應產(chǎn)物可能會在硅酸鹽巖漿與包層之間形成一層阻隔層1?。這種分層現(xiàn)象可能會減緩產(chǎn)水反應的速率；若形成的阻隔層密度高于其上方物質(zhì)，還會阻礙對流的發(fā)生。霍恩團隊通過對流模擬計算發(fā)現(xiàn)，亞海王星內(nèi)部由對流驅動的混合過程具有溫度依賴性：當溫度低于3500開爾文時，會出現(xiàn)分層現(xiàn)象；而溫度更高時，水則會混合到包層中。但其他模擬研究卻顯示，當溫度高于2500開爾文時?，包層底部附近會形成一層富含硅烷和水的區(qū)域，這會抑制對流混合。 天文學家該如何尋找證據(jù)，證明某些行星能通過高壓化學反應自行生成水呢？歸根結底，反應產(chǎn)物能否被觀測到，關鍵取決于對流混合與分層作用之間的平衡?；舳鲌F隊計算認為，在包層-行星交界處生成的部分水會混合到包層中，但也有研究提出，此類行星中多達95%的水會溶解到巖漿海洋和鐵核中11，因此這些行星可能無法被識別為“富水行星”。目前，亞海王星溫壓環(huán)境下硅烷的密度尚未確定，但可能低于水的密度——若情況屬實，硅烷會更容易混合到包層中。然而，通過光譜法檢測硅烷存在較大難度12。因此，若能在某顆亞海王星的大氣層中同時觀測到大量硅烷和水，或許是證明部分行星可通過高壓化學反應生成水的唯一途徑。 霍恩團隊的研究結果凸顯了行星內(nèi)部長期存在的一個未知問題：對流混合與分層作用的相對程度。對于亞海王星而言，水和硅烷究竟會混合到包層中、溶解到下方的硅酸鹽巖漿里，還是在硅酸鹽與包層的界面處形成中等密度的分層？無論如何，該研究證實了在靠近宿主恒星的天體中也能生成水和硅烷，這為行星科學家提供了一種新機制，可用于解釋銀河系中最常見行星的化學成分與動態(tài)演化過程。
