巨型机器将巨型系外行星带回地球

大约 25 年前，天文学家开启了所谓的“系外行星革命”，发现了第一颗绕另一颗类似太阳的恒星运行的外星世界。随着发现速度加快和新数据涌入，宇宙中充满了行星变得显而易见——大行星、小行星、被恒星炙烤或冻结在星系边缘的行星，以及绝大多数在大小和轨道上与我们太阳系中任何行星都不同的行星。在短短四分之一世纪的时间里，人类从基本上不了解我们太阳系以外的世界，到拥有数千个行星在我们的目录中。然而，即使取得了所有这些进步，我们仍然对这些世界的大部分真实本质——以及它们存在生命的可能——一无所知。除非物理学上有所突破，使实际的星际旅行成为可能，否则我们似乎不太可能访问任何系外行星，更不用说多个系外行星了，因此，对于我们关于它们的基本问题的明确答案长期以来似乎遥不可及。

然而，现在，新技术和合作正在将系外行星革命推向令人惊讶的更深一步——不是走向恒星，而是进入尖端等离子体物理实验室的深处。科学家们正在使用足球场大小的激光器、仓库大小的电磁铁和其他极端机器，将他们关于系外行星的一些最崇高的疑问带回地球，放弃望远镜以获得更深入、更直接地观察外星世界的中心。

为了真正了解一颗行星——任何行星，无论是绕太阳还是绕遥远的恒星运行——科学家必须了解其深层内部，那里液态岩石和金属的翻滚流动可以产生强大的磁场并使大陆运动。但是，就像潜水员沉入海浪深处一样，研究行星内部的研究人员必须学会应对他们在深处发现的高压。然而，与潜水员发现的不同，行星内部的压力是如此之高，以至于物质本身呈现出令人费解的新形式。“在木星大小的行星内部，压力达到地球表面压力的 7000 万倍，”加州大学伯克利分校的行星科学家雷蒙德·让洛兹说。“在这些压力下，物质的行为方式是我们真正不了解的。”

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这就是巨型激光器和巨型电磁铁的用武之地。

挤压超级地球

卡内基科学研究所的研究员费英伟希望了解宇宙中最丰富的行星种类：超级地球。我们的太阳系非常缺乏这些世界，它们的重量是我们地球质量的 2 到 10 倍。但是多项独立的系外行星调查显示，我们的星系中充满了它们。因为这些行星非常普遍，即使一小部分超级地球被发现适合居住，它们也将成为天文学家跨越世纪的探索地外生命并将地球生物学置于宇宙背景下的主要目标。“这就是为什么有很大的动力去了解这些世界，”费英伟说。让洛兹更富有诗意地说道：“这些天，超级地球是每位天文学家眼中的闪光。” 然而，由于质量更大，超级地球内部的典型压力约为 1000 万个大气压——比我们地球核心中的压力高出几倍。为了了解超级地球，费英伟和他的同事必须找到一种方法来研究这些极端压力下的物质。“我们需要做一些非常规的事情，”他说。

行星科学家将物质推向高压的常用方法是将微小的岩石或金属样品挤压在两颗钻石之间。但是这些“金刚石压腔”装置只能达到几百万或左右个大气压，对于超级地球内部的挤压来说太低了。为了获得更大的挤压，费英伟和他的团队将他们的岩石样品带到桑迪亚国家实验室强大的“Z 装置”。这台机器是世界上最大的 Z 箍缩装置，这是一种等离子体物理装置，最初设计用于研究核聚变——基本上是一个汤罐大小的金属丝笼，位于仓库大小的电容器组的顶部。当您打开 Z 装置上的开关时，电流海啸从电池涌入电线。纳秒级的电流脉冲产生强大的磁场，这些磁场非常强大，以至于它们猛烈地内爆电线，使放置在其中的任何东西都受到接近于热核弹头爆炸的力——或者更确切地说是一种“箍缩”。

这正是费英伟和他的合作者需要的挤压，以将一小块布里奇曼石样品（一种在地球下地幔中含量丰富的矿物）提升到超级地球的压力。经过数月精心设计和制造填充布里奇曼石的“靶标”后，费英伟和他的团队前往桑迪亚并炸毁（或“炸入”）了珍贵的样品。数据显示该矿物表现出意想不到的方式，直到达到比地球内部压力下发生的温度高得多的温度才开始融化。熔化的流动物质是产生行星磁场的先决条件，而磁场本身可能是保护行星生物圈免受其主恒星爆发的有害辐射所必需的。由于天文学家渴望知道超级地球是否拥有这种保护性磁场，因此费英伟的研究结果被视为一项重要的进步。

对于费英伟来说，巨型聚变等离子体机器与行星科学的结合代表了通往未来的道路。“只有大型激光器和 Z 装置才能使我们达到直接模拟大行星内部条件所需的压力，”他说。

关于卫星和岩浆海洋

这些实验证明了科学家跨越学科界限以推动系外行星科学进步的力量。然而，跨学科性也带来了自身的问题。让来自截然不同领域的研究人员相互理解并不容易。等离子体物理实验学家的培训和文化与行星科学家的培训和文化截然不同。仅仅学习每个学科对相同的物理过程的不同术语就可能成为障碍。更复杂的是，为了理解超级地球和其他大型行星，不仅需要等离子体物理学家和行星科学家，还需要研究极高压力下物质的系外行星观测天文学家和凝聚态物理学家。这需要邀请很多人参加聚会。

对于加州大学戴维斯分校的行星科学家莎拉·T·斯图尔特来说，让这些学科协同工作对于进一步发展至关重要。“我们一直在使用我称之为‘最佳猜测’科学来模拟大型行星的结构，”她说。也就是说，行星科学家对物质在非常高压下的可能行为有一些合理的理论想法，但他们缺乏数据。她说，现在越来越多的——而且常常是令人惊讶的——数据来自行星内部的实验室代理， “以有意义的方式使用数据的问题是每个人都必须相互交谈。”

在很大程度上，这就是促使来自七个不同机构的研究人员最近成立原子压力下物质中心 (CMAP) 的原因。CMAP 拥有五年时间表和来自国家科学基金会近 1300 万美元的资金，其目标是建立深入、长期和跨学科的合作，以克服科学家在新兴的极端条件下物质地图中的盲点。（完全披露：我是一位天体物理学家，是 CMAP 合作的一部分。）CMAP 总部位于罗切斯特大学激光能量学实验室 (LLE)，利用巨型 OMEGA 激光系统将物质挤压成新的极端状态。与 Z 装置一样，OMEGA 激光器主要是一种用于探索聚变能的仪器。足球场大小的激光器及其 60 束高强度光束用于轰击氢弹丸，直到它们达到类似于太阳内部的条件。这个过程也可以用来模拟超级地球内部的条件。因此，OMEGA 激光器可以直接进入这些世界中心内部的条件，这些条件可能会决定它们是否具备孕育生命的能力。激光器还可以让 CMAP 科学家观察木星大小的世界内部，甚至行星碰撞后的火热景象。

例如，目前，斯图尔特和她在 LLE 的合作者正在使用 OMEGA 激光器来探测年轻的地球和一个火星大小的天体之间的撞击，据认为这次撞击形成了我们星球的月球。他们面临的问题是，在撞击发生时，地球表面尚未从行星形成产生的热量中冷却下来，并且被难以准确建模的岩浆海洋覆盖。“我们想知道岩浆海洋如何吸收地球与另一个世界之间碰撞的能量，”斯图尔特说。

在找到一种方法将液化的岩石样品放入 OMEGA 激光室（这绝非易事）后，斯图尔特和她的合作者用激光轰击样品，以模拟行星撞击产生的冲击波。尽管这项实验的数据尚未分析，但斯图尔特说已经有一些惊喜。研究人员曾预测液化物质比固体岩石更容易挤压，但他们在实验中观察到的“可压缩性”甚至比预期的还要大。这种意想不到的结果正是可以用来显着改进先前存在的月球形成行星撞击模型的那种结果。

木星的胶状核心和土星的氦雨

为了支持这种小众实验，研究人员还在使用 CMAP 来改进对原子在极端压力下行为方式的系统性观察。

“这一切实际上都涉及到一个基本的物理学方面，”让洛兹说，他在过去几十年中一直处于将等离子体物理机器用于行星科学的前沿。“当您达到数百万个大气压的压力时，挤压原子的能量与化学键的典型能量相当。这意味着，在这些压力下，物质的基本化学性质将会发生变化。” 例如，在正常压力下，岩石中的氧原子就像绝缘体一样，不能导电。然而，在大型行星的深处，氧原子将开始表现得像金属一样，它们的原子核被压力锁定在原位，但它们的电子可以自由流动。这基本上意味着，对于像木星这样真正的大型行星来说，“岩石核心”的想法可能完全是误称。“与其说是岩石状，”让洛兹说，“我们真的应该将大型行星的中心视为某种金属化的氧气果冻。”

即使是最简单的元素在巨行星压力下也会产生难题。在最近发表在《自然》杂志上的一篇论文中，法国和美国的研究人员（包括让洛兹）使用了 LLE 和劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的多个巨型激光器来研究土星和木星中的“氦雨”现象。在气体巨行星世界的深处，几乎难以想象的压力将氢和氦都挤压成更像汞的金属流体。这些流体在行星深层内部的外部部分混合良好，但在深处，原子理论的原则预测它们会像水和油一样“不混合”。“由于氦[比氢]更重，当不混合发生时，氦会向下落，从而产生热量，”让洛兹说。这种“氦雨”可能是土星发射的热辐射多于它从太阳吸收的热辐射的原因。

为了验证这一理论，让洛兹和他的同事首先使用金刚石压腔创建了具有不同氢氦比的“预压缩”样品。“这些元素在室温和压力下不喜欢混合，”让洛兹解释说。通过在氢气和氦气被带入激光靶室之前对其进行足够强的挤压，该团队生产出了已经液化并充分混合的样品，从而使大型激光器更容易在其中诱导出强大的冲击波，以复制气体巨行星深处的条件。通过比较纯氢和氦样品与预压缩混合物，该团队证实了氦雨理论的基本细节，同时也观察到细微的新细节，表明未来需要进一步的理论阐述。

探索奇异的、塑造行星的氦雨化学，或者放弃木星大小世界中岩石核心的经典但有缺陷的概念，只是等离子体物理实验室、天文学家和行星科学家合作并从第一性原理出发时可以探索的广阔且在很大程度上仍未知的领域的两个例子。当不同的社群学会相互交谈时产生的创造性炼金术正是系外行星科学现在进一步推进其未探索的前沿所需要的。“地球物理学家习惯于考虑具有非常特定的晶体结构的独立矿物相，”斯图尔特说。“但是在我们 CMAP 感兴趣的压力下，您不能再那样思考了。我们甚至还没有描述可能发生的事情的词汇，但这正是我们希望开发的。”

斯图尔特、让洛兹和费英伟正在构建的新词汇不仅仅代表一些科学家尝试一种新的合作。相反，它是科学领域最新、最令人兴奋的前沿领域之一的开放。通过将激光驱动的、高科技的原子尺度下物质集体行为研究与行星尺度上物质全球特性的望远镜探索相结合，宇宙中一扇全新的窗口已经打开。而这种微观与宏观的独特综合可能仅仅是我们理解何时为生命的盛宴摆好行星餐桌的最佳也是唯一的途径。