「超級地球」指的是體積是地球1.5~2倍左右的系外岩石行星。具有岩石地表是一顆行星擁有生命宜居環境的基本條件。在已經發現的系外行星中,大量行星都是超級地球這樣類型的行星。這些行星適合孕育生命嗎?

「雖然觀察系外行星大氣組成結構是尋找外星生命的第一個途徑,可是行星上很多的地面環境是受到其地下情況的影響。」卡內基技術學院(Carnegie Institute of Technology)地球與行星實驗室(Earth and Planets Laboratory)負責人卡爾森(Richard Carlson)說。

從地球的情況來看,矽酸鹽地幔和金屬核的內部動力學和結構是地殼運動的推動因素,並產生地球磁場,保護生命免受高能宇宙射線的襲擊。沒有這個磁場保護罩,地球就不是一個宜居的環境。

類似的,科學家認為探察超級地球內部的動力循環和結構,也是了解其地表環境、繼而推測該星球是否宜居的一個重要方法。

2月9日發表於《自然·通訊》(Nature Communications)期刊的一份研究想到了在實驗室建立模擬這類星球地核環境的方式。

卡內基技術學院進行模擬行星內部環境的研究已經有幾十年的經驗。他們把少量的物質樣品置於高壓和高溫的環境下,但是有的時候這些技術遇到瓶頸。

卡內基技術學院的費英偉(Yingwei Fei)說:「超級地球內部環境壓力可超過1,400萬個大氣壓,要在實驗室模擬這些環境,我們不斷遇到困難。」

最近他們獲得了突破。借助桑迪亞國家實驗室的Z脈衝功率設施(Z Pulsed Power Facility),他們終於可以直接衝擊高密度布里奇曼石(bridgmanite,高壓狀態下的矽酸鎂)樣品。Z脈衝功率設施是世界上最大的高頻電磁波發生器,用於在極端溫度和壓力條件下測試材料。

科學家認為,高壓狀態下的矽酸鎂是超級地球地幔層的主要物質。實驗結果顯示,在超級地球內部環境下,布里奇曼石有著很高的熔點,這對行星內部動力循環機制起到重要作用。

按照行星內部熱力學演化規律,研究者認為這些超級地球在誕生初期,可能有過支持星球磁場的動力,但是降溫後消失,長達幾十億年的時間裏都不足以支持磁場。之後隨著內核的結晶,在內部輕一些元素的運動下,這種動力機制將恢復,重新啟動磁場。

費英偉說:「有能力進行這些測量,是為最高8倍地球質量的超級地球建立內部環境可靠模型的關鍵之處,這些成果對我們解釋觀測數據的能力有著深遠的影響。」#