有一些星球完全被水覆盖，在300亿帕高压时，水和岩石开始融合

在太阳系之外，即使是最强大的望远镜也只能看到宇宙空间中的一个小点，其他类似地球的行星世界也存在。天文学家发现，这些行星世界中的许多可能比地球大得多，完全被水覆盖，基本上是没有突出陆地块的海洋行星。那么在这样星球上能孕育出什么样的生命呢？像这样的栖息地能养活生命吗？由亚利桑那州立大学(ASU)领导的一组科学家研究了这些问题。

由于无法前往遥远的系外行星采集样本，研究决定在实验室中重现这些水世界的条件。在这种情况下，该实验室是高级光子源(APS)，这是美国能源部(DOE)科学办公室在能源部阿贡国家实验室的一个用户设施。其研究发现发表在《美国国家科学院院刊》上，是二氧化硅和水之间的一种新过渡阶段，这表明这些系外行星上的水和陆地之间的边界并不像地球上那样坚固。

这一关键发现可能会改变天文学家和天体物理学家对这些系外行星建模的方式，并告诉我们如何看待这些星球上的生命进化。这种组成与我们太阳系中的任何行星都不同，这些行星的岩层顶部可能有超过50%的水或冰，这些岩层必须在非常高的温度和挤压压力下存在。确定系外行星的地质很困难，因为我们不能使用望远镜，也不能把探测器送到它们的表面，所以科学家们试着在实验室里模拟地质情况。

怎么才能做到？

首先，需要合适的工具，在这项实验中，研究团队将样本带到了两条APS光束线：由芝加哥大学运营的光束线13-ID-D的GeoSoilEnviroCARS(GSECARS)和由Argonne的X射线科学部运营光束线16-ID-B高压协作访问小组(HPCAT)。样品被压缩在钻石砧座中，本质上是两颗尖端很小的宝石级钻石。把样品放在它们之间，就可以把钻石挤在一起，增加压力。阿贡X射线科学部的物理学家、研究的合著者岳萌(音译)说：可以将大气压提高到数百万大气压。

APS是世界上为数不多可以进行这种尖端研究的地方之一，光束线科学家、技术人员和工程师使这项研究成为可能。系外行星的压力可以计算出来，即使在这些行星上获得的数据有限。天文学家可以测量行星的质量和密度，如果知道行星的大小和质量，就可以确定合适的压强。一旦样本被加压，红外激光（可以调节到比人体血细胞宽度更小）被用来加热它。

研究用超亮的APS X射线探头精确对准样品两侧，并沿着光路进行亚微米精度的温度测量。系外行星的温度更难测量，因为有太多因素决定它：行星内部的热量，行星的年龄，以及结构内部衰减的放射性同位素的量，释放出更多的热量。一旦样品被加压和加热，APS的超亮X射线光束（可以透过钻石看到样品本身），可以让科学家在发生化学反应时拍摄原子尺度结构变化的快照。在这种情况下，研究团队将少量的二氧化硅浸入水中，提高压力和温度，并监测材料将如何反应。

水和岩石的融合

研究发现，在大约300亿帕斯卡（大约是地球标准大气压的30万倍）高温和压力下，水和岩石开始融合。如果要建造一个有水和岩石的星球，你会认为水在岩石之上形成一层，但研究表明不一定是这样，因为有了足够的热量和压力，岩石和水之间的边界就会变得模糊，这是一个需要纳入系外行星模型的新想法。主要的一点是，它告诉为这些行星结构建模的人们，组成比我们想象的要复杂得多。

之前认为岩石和水是分开的，但基于这些研究，并没有明显的界限。科学家们以前也进行过类似的实验，但这些实验是基于类似地球的环境，水的增量较小。通过观察这一新的相变，建模人员可以更好地了解富含水的系外行星的实际地质构成，并洞察哪些生命可能会将这些系外行星称为家。这是在这些行星上建立化学作用方式的一个起点，水与岩石如何相互作用对地球上的生命很重要，因此，了解其中一些星球上可能存在的生命类型也很重要。

博科园｜研究/来自：阿贡国家实验室

参考期刊《美国国家科学院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1917448117