天文學家終於瞭解海王星是如何下鑽石雨

在天王星及海王星的核心深處，可能正下著鑽石雨，現在，天文學家藉由新方法得到實證。曾經的假設中提到，這些冰巨行星表面下數千公里處，其高溫及高壓會使碳氫化合物鍵結斷裂，其中的碳會被壓縮成鑽石，並向行星的更核心處前進。

天王星及海王星是太陽系中最不為人知的行星，它們的距離遠得令人望之卻步，人類歷史中僅僅有一艘航行者二號（Voyager 2）太空船曾經接近過它們，而且還只是短暫飛掠，非長期性專門任務。

這一類的「類海行星」在廣闊的銀河系中非常常見，依據美國太空總署的資料，「類海系外行星」比「類木系外行星」還要普遍十倍，因此，瞭解我們太陽系的冰巨行星對於全銀河系的行星認識非常重要，而在其寧靜的藍色外表下究竟發生了什麼，正是科學家急迫追求的答案。

新的實驗中使用史丹福直線加速器中心國家加速器實驗室（Stanford Linear Accelerator Center National Accelerator Laboratory）的「線性粒子加速器相干光源」（Linac Coherent Light Source，簡稱 LCLS）X射線雷射束，針對鑽石雨的發生過程進行最精準的測量，並直擊碳轉變成鑽石晶體的過程。

LCLS的負責人，同時也是電漿物理專家邁克·鄧恩（Mike Dunne）進一步解釋：「這項研究提供了一種非常難以模擬或計算的現象，兩種元素的互溶性以及其混合時的結合方式。他們也看見了兩種成份（碳及氫）是如何分離的，就如同把美乃滋又分開變成油和醋一樣。

幾十年前的計算及實驗就說明，在足夠的壓力及溫度下，甲烷可以分解成碳、氫，最終在壓力下結晶成鑽石，而在地球上要複製這個過程是非常大的挑戰，LCLS正好可以滿足這個條件，而甲烷這種易燃物質也會增加實驗的風險，故研究團隊採用了另一種碳氫化合物-「聚苯乙烯」代替甲烷。

實驗的第一步是對材料加熱及加壓，溫度達到了5,000K（約攝氏4,727度）、壓力則是一百五十萬大氣壓（相當於二百五十頭大象的重量施加在一個人的姆指指甲片上），第二步則是過程的成像，X射線繞射是用來將晶體結構成像的技術，但是非晶體分子就不那麼有效了（烯及烷屬於鏈狀結構）。研究團隊使用了另一種方法，測量X射線是如何散射聚苯乙烯中的電子，這不僅能讓他們觀察到碳轉化成鑽石的過程，也能觀察氫所發生的狀況。

在這次的例子中，科學家知道碳在這個過程就直接形成了鑽石，沒有流體的過渡形態，而這同時也解釋了一些難題，海王星釋出的能量，是太陽給予能量的2.6倍，而鑽石如果就這樣維持高密度狀態潛入行星核心，它們可能會釋出重力位能進而轉化成為熱能釋出，這項新技術允許科學家利用另一種方法「探測」太陽系行星的內部，木星及土星的核心化學反應也是可以研究的過程。

【圖：美國太空總署；文：節錄自台北市立天文科學教育館網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2020年5月26日出版的《自然-通訊》期刊