阿尔贡国家实验室 这位艺术家的概念展示了一颗假想的行星，它被水覆盖着，围绕着开普勒35A和35B双星系统
这种水世界的构成多年来一直吸引着天文学家和天体物理学家
信用:美国航天局/JPL-加州理工学院 在太阳系之外，即使用最强大的望远镜也只能看到空间中最小的点，其他世界也存在
天文学家发现，许多这样的世界可能比地球大得多，完全被水覆盖——基本上是没有突出陆地的海洋行星
在这样一个世界上能发展出什么样的生命？像这样的栖息地甚至能维持生命吗？ 亚利桑那州立大学领导的一个研究小组最近开始调查这些问题
由于他们无法前往遥远的系外行星采集样本，他们决定在实验室里重现水世界的状况
在这种情况下，该实验室是先进的光子源
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能源部阿贡国家实验室科学用户设备办公室
他们的发现——最近发表在《美国国家科学院院刊》上——是二氧化硅和水之间的一个新的过渡阶段，表明这些系外行星上的水和岩石之间的边界并不像地球上的那样坚固
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，并为我们思考生命在其上进化的方式提供信息
亚利桑那州立大学的副教授丹·辛领导了这项新的研究
希姆领导着亚利桑那州立大学的地球和行星材料实验室，长期以来一直对这些遥远世界的地质和生态构成着迷
他说，这种成分与我们太阳系中的任何行星都不同——这些行星的岩石层上可能有超过50%的水或冰，这些岩石层必须在非常高的温度和巨大的压力下存在
“确定系外行星的地质很困难，因为我们不能使用望远镜或者把漫游者送到它们的表面，”希姆说
“所以我们尝试在实验室模拟地质
" 一个人如何做到这一点？首先，你需要合适的工具
在这个实验中，希姆和他的团队将他们的样本带到了两条APS束线:位于13-ID-D束线的地球环境卫星(GSECARS)，由芝加哥大学运营；以及位于16-ID-B束线的高压合作访问小组，由阿尔贡的x光科学部门运营
样品在金刚石砧座室中压缩，本质上是两颗具有微小扁平尖端的宝石级钻石
在它们之间放一个样品，你可以把钻石挤压在一起，增加压力
“我们可以将压强提高到数百万个大气压，”阿尔贡x光科学部门的物理学家、该论文的合著者孟玥说
孟是HPCAT技术的主要设计者之一，该公司专门从事高压高温实验
“美国物理学会是世界上少数几个可以进行这种前沿研究的地方之一，”她说
“束线科学家、技术人员和工程师使这项研究成为可能
" 希姆说，外行星的压力是可以计算的，尽管我们在这些行星上的数据有限
天文学家可以测量质量和密度，如果知道行星的大小和质量，就可以确定正确的压力
一旦样品被加压，红外激光——可以调整到小于人类血细胞的宽度——被用来加热它
“我们可以把样本温度提高到几千华氏度，”维塔利·普拉卡彭卡说，他是美国国家空间研究中心的束线科学家，芝加哥大学的研究教授，也是这篇论文的合著者
“我们有两个高功率激光器，从两侧照射样品，与超亮APS X射线探针精确对准，并沿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，因为决定它的因素有很多:行星内部包含的热量，行星的年龄，以及结构内部衰变的放射性同位素的数量，释放出更多的热量
Shim的团队计算了一个工作温度范围
一旦样品被加压和加热，APS的超亮X射线束(可以透过钻石看到样品本身)可以让科学家在化学反应发生时拍摄原子尺度结构变化的快照
在这种情况下，Shim和他的团队将少量二氧化硅浸入水中，增加压力和温度，并监控材料的反应
他们发现，在大约30千兆帕斯卡(大约是地球标准大气压的30万倍)的高温高压下，水和岩石开始融合
“如果你要建造一个有水和岩石的星球，你会假设水在岩石上形成一层，”他说
“我们发现不一定是真的
有了足够的热量和压力，岩石和水之间的界限变得模糊
" 普拉卡彭卡说，这是一个新的想法，需要纳入系外行星的模型中
“主要的一点是，它告诉模拟这些行星结构的人，组成比我们想象的要复杂，”普拉卡彭卡说
“以前我们认为岩石和水是分开的，但根据这些研究，没有明显的界限
" 希姆说，科学家们以前也做过类似的实验，但这些实验都是基于类似地球的环境，水的增量较小
观察这一新的相变让建模者对富含水的系外行星的实际地质组成有了更好的了解，也让他们对什么样的生命可以把这些系外行星称为家园有了更深入的了解
“这是在这些行星上建立化学工作方式的起点，”希姆说
“水与岩石的相互作用对地球上的生命很重要，因此，了解这些世界上可能存在的生命类型也很重要
" Shim承认，在考虑像APS这样的光源时，这项研究并不是第一件可以想象的事情
但他说，正是这种多样性是大规模用户设施的优势
“当谈到x光设备时，人们很少想到天体物理学，”他说
“但是我们可以使用像APS这样的设备来理解我们看不到的太远的物体
"
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