超級地球內部動力學可以為可居住性設置平台嗎？

卡內基科學研究所（Carnegie Institution for Science）費英偉教授領導的研究團隊提供一個新框架，用於理解超級地球的內部結構（岩石系外行星的體積是地球的1.5至2倍），用來評估是否適宜生物居住性的先決條件。這種大小的行星，是系外行星系統中數量最多的星體。

卡內基科學研究所地球與行星實驗室主任李察·卡爾信（Richard Carlson）解釋，儘管觀測系外行星的大氣成分將是尋找地球以外生命特徵的第一條途徑，但行星表面可居住性許多方面都受到行星表面下發生的事情的影響，這正是卡內基研究人員長期以來對地球活動特性的專長，在極端溫度和壓力下會進入岩石裏面。

在地球上，矽酸鹽地幔和金屬芯的內部動力學和結構驅動地殻板塊活動，並產生地核心發電機，它為我們的磁場提供動力，並使我們免受危險的電離粒子和宇宙射線的傷害。我們知道，沒有這種保護，生命不可能發展。同樣，超級地球的內部動力學和結構將影響行星的表面狀況。

近幾十年來，發現各種岩石系外行星，是否有質量更高的超級地球，能夠創造出適合生命興旺和繁榮的條件？

了解超地球表面下發生的事情對於確定遙遠的世界是否能夠承載生命至關重要。但是超地球質量行星內部的極端條件挑戰研究人員，探究那裏可能存在的礦物的物質特性能力。

幾十年來，卡耐基的研究人員一直是通過將小樣本材料置於巨大壓力和高溫下來重塑行星內部條件的先驅。但是有時甚至這些技術也達到它們的局限。

費英偉解釋，為了建立模型，使我們能夠了解超級地球的內部動力學和結構，我們需要能夠從近似的發現條件樣本中獲取數據，可能超過一千四百萬倍地球大氣壓。但是在實驗室中創建這些條件時，我們總是遇到限制。

當團隊獲准使用桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）世界上最大的高頻電磁波產生器，就取得了突破性進展。它的Z脈衝功率設施直接衝擊一種稱為橋錳礦（bridgmanite）的高密度岩石，高壓矽酸鎂（）樣本，相信它等同暴露於極端條件相關超級地球的內部。

在代表性的超地球地幔材料上，進行的一系列超高速衝擊波實驗，提供密度和融化溫度測量值，這對於解釋觀測到的超級地球質量和半徑至關重要。

研究人員發現，在代表超級地球內部的壓力下，橋錳礦具有很高的熔點，這對內部動力學具有重要意義。他們說，在某些熱演化情況下，大型岩石行星可能在它的演化早期就具有熱驅動的地核發電機，然後在冷卻變慢的數十億年中失去。持久的土工發電機最終可以通過較輕的元素通過內芯結晶運動而重新開始。

費英偉補充說：「進行這些測量的能力，對於開發高達地球質量八倍的超級地球內部結構的可靠模型至關重要。”這些結果將對我們解釋觀測數據的能力產生深遠影響。」

【圖：桑迪亞國家實驗室；文：節譯自卡內基科學研究所2021年2月9日新聞公佈】研究全文刊登在2021年2月9日出版的《自然-天文學》期刊