一項新的研究揭示，氧化鎂是行星形成過程中的一種關鍵礦物，它可能是正在發育的”超級地球”系外行星中最先凝固的礦物，其在極端條件下的行為會對行星的發育產生重大影響。科學家首次觀察到氧化鎂中的原子如何在超嚴酷條件下變形和熔化，從而對地球地函中這種已知會影響行星形成的關鍵礦物有了新的認識。

高能量雷射實驗將這種礦物的微小晶體置於岩石行星地函深處的那種熱量和壓力之下，顯示這種化合​​物可能是形成”超級地球”系外行星的岩漿海洋中最早凝固出來的礦物。

「氧化鎂可能是控制年輕超級地球熱力學的最重要固體，」領導這項研究的約翰-霍普金斯大學地球與行星科學助理教授瓊-威克斯說。 「如果它具有如此高的熔化溫度，那麼當一顆炙熱的岩石行星開始冷卻，其內部分離為地核和地函時，它將是第一個結晶的固體。”

這些研究結果最新發表在《科學進展》（Science Advances）。

他們認為，氧化鎂從一種形態過渡到另一種形態的方式可能對控制年輕行星是雪球還是熔岩、是形成水海洋還是大氣層、還是具有這些特徵的混合體的因素有重要影響。

威克斯說：”在陸地超級地球中，這種物質將是地函的重要組成部分，它的轉變將極大地促進內部熱量的快速流動，這將控制內部和行星其他部分隨著時間的推移如何形成和變形。

在雷射能量實驗室的試驗室內進行的衝擊壓縮氧化鎂（MgO）的雷射驅動實驗。高功率雷射光束被用來將氧化鎂樣品壓縮到超過地球中心的壓力。輔助X 射線源用於探測氧化鎂的晶體結構。更亮的區域是奈秒的發光等離子體發射。資料來源：June Wicks/約翰-霍普金斯大學

超級地球比地球大，但比海王星或天王星等巨行星小，是系外行星搜尋的關鍵目標，因為它們在銀河系的其他太陽系中很常見。威克斯說，雖然這些行星的成分可能從氣體到冰或水不盡相同，但岩質超級地球預計會含有大量氧化鎂，可以像在地球上一樣影響行星的磁場、火山活動和其他關鍵地球物理。

為了模擬這種礦物在行星形成過程中可能承受的極端條件，Wick 的團隊利用羅徹斯特大學雷射能量實驗室的Omega-EP 雷射設備對小樣本進行了超高壓處理。科學家們也發射了X 射線，並記錄了這些光線在晶體上的反彈情況，以追蹤它們的原子是如何隨著壓力的增加而重新排列的，特別是注意到它們在什麼時候從固態轉變為液態。

當受到極度擠壓時，氧化鎂等材料的原子會改變排列方式，以承受擠壓壓力。這就是為什麼隨著壓力的增加，這種礦物會從類似於食鹽的岩鹽”相”轉變為類似於另一種稱為氯化銫的鹽的不同構型。威克斯說，這種轉變會影響礦物的黏度，並隨著年齡的增長對地球產生影響。

研究團隊的研究結果表明，氧化鎂可以在430 到500 千兆帕的壓力和大約9700 開爾文的溫度（幾乎是太陽表面溫度的兩倍）下以兩種相態存在。實驗也表明，這種礦物在完全熔化之前所能承受的最高壓力高達600 千兆帕，大約是人們在海洋最深處的海溝中所能感受到的壓力的600 倍。

「氧化鎂的熔化溫度比任何其他材料或礦物都要高得多。鑽石可能是最堅硬的材料，但這是最後融化的材料，」威克斯說。 “說到年輕行星中的極端物質，氧化鎂很可能是固態的，而地函中懸浮的其他一切物質都會變成液態。”

這項研究展示了氧化鎂在極端壓力下的穩定性和簡易性，有助於科學家開發更精確的理論模型，以探討氧化鎂和其他礦物在像地球這樣的岩石世界中的行為的關鍵問題。

編譯來源：ScitechDaily