一項新的研究揭示，海王星和天王星等冰質行星上的”鑽石雨”是在沒有以前認為的那麼極端的條件下形成的。這種現象影響行星的內部動力學和磁場，也可能發生在較小的系外行星上。

一項新的實驗表明，這種奇特的沉澱物形成的壓力和溫度比以前認為的還要低，可能會影響海王星和天王星的異常磁場。

由美國能源部SLAC 國家加速器實驗室研究人員領導的國際研究小組對海王星和天王星等冰行星上鑽石的形成有了新的認識。科學家認為，這些鑽石在形成之後，會在引力的作用下慢慢沉入行星內部深處，從而形成來自較高層的寶石”雨”。

1月8日發表在《自然-天文學》（Nature Astronomy）上的研究結果表明，這種”鑽石雨”形成的壓力和溫度比以前想像的還要低，並為海王星和天王星複雜磁場的起源提供了線索。

行星磁場的啟示

“冰行星上的’鑽石雨’為我們帶來了一個亟待解決的難題，”領導這項研究的SLAC科學家蒙戈-弗羅斯特（Mungo Frost）說。他說：”它提供了內部熱源，並將碳帶入行星深處，這可能會對行星的性質和組成產生重大影響。它可能會引發這些行星上發現的導電冰內部的運動，從而影響它們磁場的產生”。

歐洲XFEL 的HED 實驗站。資料來源：歐洲XFEL / Jan Hosan

實驗和觀測

早先在SLAC 的里納相干光源（LCLS）X 射線自由電子雷射（XFEL）上進行的工作中，科學家們觀測到了在高壓條件下形成的”鑽石雨”，證實了在冰行星上形成鑽石的可能性，冰行星主要由水、氨和碳氫化合物組成。他們後來發現，氧氣的存在使鑽石的形成更有可能，使鑽石能夠在更廣泛的條件下和更多的行星上形成和生長。

以前，高壓和高溫是透過高功率雷射對碳氫化合物進行衝擊壓縮產生的，這樣的條件只能維持幾納秒。在德國歐洲X 射線自由電子雷射進行的這項新實驗中，研究小組採用了不同的方法，研究了比其他實驗更長的尺度反應。

在這項實驗中，研究人員將以碳氫化合物聚苯乙烯為碳源製成的塑膠薄膜置於冰凍行星內部深處的極端壓力和溫度下。高壓是透過使用”鑽石砧單元”將薄膜擠壓在兩顆鑽石的尖端之間產生的。然後將膠片暴露在歐洲XFEL 產生的多劑量高能量X 射線下，將其加熱到2200 多攝氏度，模仿這些行星深處的極端條件。在這種極端條件下，鑽石從膠片中形成，這個過程與行星內部的形成過程相同。

接下來，研究人員利用歐洲XFEL 產生的X 射線脈衝來觀察實驗過程中鑽石形成的時間和方式。透過觀察鑽石形成時的壓力和溫度，研究人員可以預測鑽石在行星內部形成的深度。

磁場之謎

透過在更長的時間尺度上對加熱的碳氫化合物進行研究，研究人員發現，鑽石形成的壓力和溫度比先前假設的還要低。就天王星和海王星而言，這意味著鑽石雨的形成深度比最初設想的要淺，可能對其異常磁場的形成產生更大的影響。

與地球磁場不同，這些冰凍行星周圍的磁場並不對稱，也不是從每一極延伸出來的。這些特性表明，磁場並不是行星內核中產生的，而是在一層薄薄的導電物質中產生的。

鑽石顆粒形成後，會拖著氣體和冰從行星的外層向內層降落，造成冰流。新的研究結果表明，鑽石是在一層導電冰上形成的，鑽石在下落過程中會攪動這層導電冰。由此產生的電流就像是一種驅動行星磁場的發電機。

對系外行星的影響

研究結果還表明，比海王星和天王星小的氣態行星–即所謂的”小海王星”–也有可能出現鑽石雨，而”小海王星”是太陽系外最常見的系外行星類型之一。

接下來，研究人員正在計劃進行類似的實驗，這將使他們更接近了解鑽石雨是如何在其他行星上形成並影響其性質的。

“這項突破性發現不僅加深了我們對本地冰質行星的了解，而且對了解太陽系外系外行星的類似過程也有意義，”SLAC 高能密度主任Siegfried Glenzer 說。

編譯自/ ScitechDaily