科學家發現太陽系中的豪華星球,下的雨居然是“鑽石雨”

鑽石恆久遠，一顆就破產。在地球上，鑽石可以說是和普通人息息相關的最昂貴物質之一，除了其中的商業原因之外，還與其儲量有著一定的關係。所謂物以稀為貴，也正是這個道理。

不過，在宇宙中，鑽石就不算是什麼稀缺資源了。科學家告訴我們，宇宙中很多天體甚至連天空中都在下鑽石雨。這樣的天體說遠也不是非常遠，在我們的太陽系內，就有兩顆天體擁有這樣令人羨慕的天氣，那就是天王星和海王星。

很多科學家對此都非常好奇，也感到不可思議。但是，它們又是如此遙不可及，連光都需要幾個小時才能在地球和它們之間往返一次。自從1989年旅行者2號探測器短時間飛掠這兩顆行星，進行了非常有限的觀測之後，我們就再也沒有近距離對它們進行過研究，因此詭異的鑽石雨也始終是科學家心頭的未解之謎。

最近，終於有人找到了方法，向我們介紹了這其中的過程。

位於美國舊金山灣區的SLAC國家加速器實驗室有一群科學家，他們利用直線加速器相干光源（LCLS）的X射線鐳射器對這個神奇的物質轉化過程進行了迄今為止最精確的一次研究。結果顯示：冰巨星上的碳可以直接轉化為鑽石，就是這麼簡單粗暴。他們在實驗室中模擬還原了鑽石雨的過程，才讓真相大白於天下。

我們知道，天王星和海王星的主要成分是氫和氦，同時還有少量的甲烷。正是由於這些甲烷，才讓兩顆冰巨星呈現出迷人的蔚藍色。如果你能夠穿越大氣層進入到它們的內部，會發現一顆由水、甲烷和氨組成的溫度極高、密度極大的緻密液體包裹在行星核心周圍。

早在幾十年前，就有科學家計算發現：如果有足夠高的溫度和壓力，甲烷可以被分解並形成鑽石。而冰巨星的內部結構，正符合這樣的要求。亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心（HZDR）的物理學家多米尼克·克勞斯（Dominik Kraus），在幾年前就曾經領導SLAC的團隊利用X射線衍射對這個過程進行了驗證。最近，他和他的團隊再一次取得了新的進展。

實際上，想要在實驗室裡真正模擬出冰巨星的內部環境是難度極高的一件事。他們必須要有足夠強大的儀器，LCLS提供了這樣的能力。同時，他們也需要找到合適的化學物質來產生冰巨星內部的組成物質，為此他們選擇了聚苯乙烯［化學式（C8H8）n］代替了甲烷。

在完成了準備工作後，他們正式開始模擬海王星的內部結構。

首先就是給聚苯乙烯施加足夠的溫度和壓力，利用LCLS釋放的極光在聚苯乙烯形成衝擊波，將它升溫到約5000開爾文。在壓強方面，他們將其提高到了150萬巴，克勞斯形容說：“這相當於大約250只非洲象的重量集中在拇指甲表面所產生的壓力。”科學家指出：這大概就是海王星表面以下10000公里處的環境。

（圖片說明：實驗裝置示意圖）

在這樣的環境下，甲烷的“替身”聚苯乙烯已經無法穩定存在，最終被分解為碳原子和氫原子。LCLS的負責人、等離子體物理學家麥克·唐恩（Mike Dunne）形象地比喻說：“這就像讓蛋黃醬分離回油和醋一樣。”

接下來，就是檢驗形成的物質。在以往的實驗中，他們都是使用X射線衍射的方法來檢驗。不過，這個方法比較適用於具有晶體結構的物質，對於非晶體分子來說效果很差，所以得到的畫面也不完整。而在最新的實驗中，他們採用了新的方法，觀測X射線對聚苯乙烯中電子的散射作用。透過這個方法，他們不僅檢測到了碳原子是如何形成金剛石的，而且還觀測到了化學變化的其餘部分，如氫原子結合為氫分子，整個過程幾乎沒有剩餘的碳原子。

（圖片說明：天王星與海王星）

克勞斯指出：“我們現在知道，在冰巨星的內部環境下，碳在分解出來後幾乎只形成金剛石，並不會經過流體的過渡形式。”

有趣的是，這次發現還很有可能幫助我們解決一些其他的難題。比如，科學家發現海王星內部擁有一個熱源，導致它自身產出的熱量甚至達到了它從太陽處接收到能量的2。6倍。雖然海王星的主要成分是氫和氦，但是它的壓力和溫度絕對不足以導致核聚變的發生。那麼，這個熱量又是從何而來的呢？

有了新的發現，科學家認為：由於鑽石的密度比周圍環境更大一些，那麼當它們像疾風驟雨一般落入行星內部時，會與周圍環境產生摩擦，透過這個摩擦將重力勢能轉化為熱能，導致海王星被加溫。

（圖片說明：海王星內部結構）

同時，更讓人興奮的是，這個方法不僅僅適用於這一次研究或者這兩顆行星，還可以對其他氣體行星進行分析。克勞斯自豪地說：“這種方法將會讓我們能夠探測到其他方法所無法呈現的有趣過程。舉例來說，我們將可以看到木星和土星等氣體巨星內部發現的氫和氦是如何在這些極端環境下合成與分解的。這是一種研究行星以及行星系統形成史的新方法，同時也將幫助我們進行未來核聚變能源形式的實驗研究。”

不僅如此，科學家還指出：在廣袤的宇宙中，像天王星和海王星這樣的冰巨星十分常見。根據NASA的資料，在系外行星中，類海王星天體比類木星天體要多10倍左右。我們有理由相信，這樣的系外行星上也有這樣的鑽石雨，這意味著宇宙中的鑽石可能會非常多。

另一方面，這也提醒我們，天王星和海王星具有極高的研究價值，我們可以透過對它們的觀測，以獲得更多關於系外行星的資訊。如果想要更加了解這兩顆冰巨星的秘密，我們就必須知道它們蔚藍色的表面大氣之下到底隱藏著什麼。

目前，NASA正在考慮向天王星或者海王星發射探測器，不過目前還猶豫不決。我們都希望他們或者世界上其他機構能夠儘早讓人類的視野早日回到冰巨星上，讓我們真正地瞭解這樣的冰凍世界。也許宇宙中大量系外行星的秘密，就要透過它們來解開了。