再现“天王星之雨”：X射线激光器可将塑料转化为钻石

再现“天王星之雨”：X射线激光器可将塑料转化为钻石科学家们已经把塑料变成了钻石。该团队使用高功率激光器，对PET样品（塑料瓶中使用的常见材料）进行扫描，以产生强烈的热量和压力，形成微小的钻石，这些钻石被认为与天王星和海王星等行星上自然降下的形成原理相同。在地球上，钻石因其稀有性而受到珍视（即使这种情况可能正在改变），但在其他星球上，它们可能看起来像岩石一样常见。在天王星和海王星这样的冰巨行星上，人们认为极端的压力会压缩氢和碳等元素，形成固体钻石，然后像雨一样通过大气层落下。这种现象还没有被直接探测到，但在2017年，一个科学家团队报告说，他们在实验室里重新创造了这个过程。他们是通过向碳氢化合物材料的样品发射世界上最强大的X射线激光器--利纳克相干光源（LCLS）来实现的。这需要快速将它们加热到高达6000℃（10800°F）的温度，并产生几百万个大气压的强大冲击波，形成微小的"纳米钻石"。尽管实验表明这在技术上是可行的，但该团队表示，最初的碳氢化合物材料如聚苯乙烯并没有准确模拟这些寒冷行星内部存在的元素，氧气也是大量存在的，因此研究人员调查了其他可以将这一关键元素引入混合的材料。研究人员最终选择了PET，一种常用于食品和饮料包装的塑料，因其在碳、氢和氧之间有一个良好的平衡。研究小组重复了这一实验，用LCLS对PET薄膜样品进行扫描，然后使用两种不同的成像技术，一方面检查纳米钻石是否形成，而且还可以检查它们增长的速度和规模。最终，他们检测到的钻石密度达每立方厘米3.87克。该研究的作者DominikKraus说："氧气的作用是加速碳和氢的分裂，从而鼓励纳米钻石的形成。这意味着碳原子可以更容易地结合并形成钻石。"这项研究不仅为冰巨行星上的钻石雨假说提供了现实依据，而且研究小组表示，它还展示了这些微小钻石的一种新的潜在制造技术，这些钻石可用于工业磨料、抛光剂，也许有一天还可用于高灵敏度的量子传感器。这项研究发表在《科学进展》杂志上。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1312459.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1312459.htm

揭开超离子冰“冰十八”的奥秘：破译海王星和天王星的磁异常现象

揭开超离子冰“冰十八”的奥秘：破译海王星和天王星的磁异常现象图片来自模拟冰十八的结构图局部，氧离子（红色）占据了一个规则的晶格，而质子（白色）像液体一样扩散。资料来源：MauricedeKoning&FilipeMatusalém超离子冰只在极端的温度和压力下存在，并被认为对海王星和天王星的磁场错位做出了贡献。该团队使用包括神经网络和机器学习在内的计算技术来了解第十八号冰的变形如何影响这些行星上观察到的现象。这项研究的一个关键方面是部署密度泛函理论（DFT），这是一种源自量子力学的方法，在固态物理学中用来解决复杂的晶体结构。普通的日常冰，如冰箱产生的冰被科学家称为六方冰（iceIh），这并不是水的唯一结晶相。有20多种不同的相是可能存在的。其中一个被称为"超离子冰"或"冰十八"，这特别令人感兴趣，因为它被认为构成了海王星和天王星的很大一部分，这些行星经常被称为"冰巨人"。在超离子结晶阶段，水失去了它的分子特性（H2O）：负氧离子（O2-）结晶成一个广泛的晶格，而质子以正氢离子（H+）的形式形成一种液体，在氧晶格内自由漂移。位于巴西圣保罗州的坎皮纳斯州立大学格莱布-瓦塔金物理研究所（IFGW-UNICAMP）的教授莫里斯-德-科宁说："这种情况可以与铜等金属导体相比，最大的区别是正离子在金属中形成晶格，而带负电的电子可以在晶格中自由游荡。"DeKoning领导了这项研究，其结果是在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了一篇文章，并在其2022年11月8日的封面上刊登。他解释说，超离子冰是在5000开尔文（4700℃）范围内的极高温度和大约340千兆帕的压力下形成的，或超过地球标准大气压的330万倍。因此，稳定的超离子冰不可能存在于我们的星球上。然而，它可以存在于海王星和天王星上。事实上，科学家们确信，大量的冰十八潜伏在它们的地幔深处，这要归功于这些巨行星的巨大引力场所产生的压力，这一点已被地震学读数所证实。"质子通过氧晶格传导的电与这些行星的磁场轴线为什么不与旋转轴线重合的问题密切相关。事实上，它们明显错位了，"DeKoning说。空间探测器旅行者2号在前往太阳系边缘和其他地方的旅途中飞过这些遥远的行星，其测量结果显示，海王星和天王星的磁场轴与它们各自的旋转轴形成47度和59度的夹角。在地球上，《自然》杂志2019年报道的一项实验成功地产生了1纳秒（十亿分之一秒）的极少量的冰十八，之后该材料就迅速瓦解了，研究人员当时使用的事激光驱动的冲击波来压缩和加热液态水。根据《自然》杂志上的论文，六道高功率激光束以时间上定制的顺序被发射，以压缩封装在两个钻石表面之间的薄水层。冲击波在两个坚硬的钻石之间回荡，以实现水层的均匀压缩，从而在极短的时间内形成超离子结晶相。"在这项最新的研究中，我们没有进行真正的物理实验，而是使用计算机模拟来研究冰十八的机械性能，并找出其变形如何影响在海王星和天王星上看到的现象，"DeKoning说。这项研究的一个关键方面是部署密度泛函理论（DFT），这是一种源自量子力学的方法，在固态物理学中用来解决复杂的晶体结构。"首先，我们研究了一个无缺陷相的机械行为，这在现实世界中并不存在。然后我们加入了缺陷，观察会产生什么样的宏观变形。"晶体缺陷通常是以离子空位或其他材料的离子侵入晶格为特征的点缺陷。在这种情况下却不是这样。DeKoning指的是被称为"位错"的线性缺陷，这是由于相邻层之间的角度差异导致的褶皱，有点像皱巴巴的地毯。"在晶体物理学中，位错是在1934年提出的，但在1956年首次在实验中观察到。它是一种缺陷，可以解释许多现象。"DeKoning说："我们说错位对于冶金学来说就像DNA对于遗传学一样。在超离子冰的情况下，位错的总和产生了剪切力，这是矿物学家、冶金学家和工程师所熟悉的宏观变形。在我们的研究中，除其他事项外，我们计算了需要对晶体施加多大的力才能使其因剪切力而破裂。"为此，研究人员不得不考虑研究一个有大约8万个分子的相对较大的材料单元。计算需要极其繁重和复杂的计算技术，包括神经网络、机器学习，以及基于DFT的各种构型的组成。这是研究的一个最有趣的方面，整合了冶金学、行星学、量子力学和高性能计算方面的知识。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352581.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352581.htm

研究发现氧气促进了钻石雨的形成

研究发现氧气促进了钻石雨的形成通过对一种类似于冰态巨行星（icegiant）组成物质的深入研究，研究人员发现氧气促进了钻石雨的形成。研究小组还发现了钻石可以和“超离子冰”结合的证据。SLAC的科学家发现氧气促进了这种神奇的降水，揭示了在地球上制造纳米金刚石的新途径。根据新的研究，“钻石雨”，一种长期假设的冰巨行星上的奇异降水类型，可能比以前想象的更普遍。在之前的一项实验中，科学家们模拟了在冰巨星海王星和天王星深处发现的极端温度和压力，并首次观察到钻石雨的形成。科学家们在一种更类似于海王星和天王星化学组成的新材料中研究了这一过程，发现氧气促进了钻石雨的形成。这意味着它们能够在更广泛的条件和更多的行星上形成和生长。美国能源部旗下的SLAC国家加速器实验室的研究人员及其同事进行的这项新研究，提供了钻石雨如何在其他行星上形成的更完整画面。在地球上，这些发现可能会导致一种制造纳米金刚石的新方法，纳米金刚石在药物输送、无创手术、医疗传感器、可持续制造和量子电子学方面具有广泛的应用。齐格弗里德·格伦泽表示：“较早的论文是我们第一次直接看到从任何混合物中形成钻石，从那时起，已经有相当多的不同纯材料的实验。但在行星内部，情况要复杂得多。混合物中有更多的化学物质。所以，我们想在这里弄清楚这些额外的化学物质有什么样的影响”。他是SLAC高能密度事业部的负责人。该团队由Helmholtz-ZentrumDresden-Rossendorf(HZDR)、德国罗斯托克大学、法国ÉcolePolytechnique与SLAC合作领导，今天（2022年9月2日）在ScienceAdvances上发表了研究结果。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1311843.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1311843.htm

偏心怪客：天文学家意外发现神秘的系外次海王星

偏心怪客：天文学家意外发现神秘的系外次海王星研究人员发现了四颗红矮星周围的小海王星，这四颗红矮星分别被命名为TOI-782、TOI-1448、TOI-2120和TOI-2406。这四颗小海王星距离母恒星很近，其中三颗可能处于偏心轨道（TOI-782b、TOI-2120b、TOI-2406b）。这些小海王星不是像地球一样的岩石行星，但可能是类似海王星的行星。天文学家利用全球地面望远镜网络和TESS太空望远镜的观测发现了围绕着四颗红矮星的小海王星。这四颗小海王星离它们的母星很近，其中三颗可能处于偏心轨道上。太阳系中没有大小介于地球和天王星/海王星之间的行星，它们被称为小海王星。不过，小海王星在太阳系外比较常见，是詹姆斯-韦伯太空望远镜进行大气特征描述的有希望的目标。小海王星长什么样？美国宇航局的凌日系外行星巡天卫星（TESS）插图。资料来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心这项研究通过地面望远镜与MuSCATs（一系列用于研究凌日系外行星大气的多色同步照相机）[5]的跟踪观测，发现了四颗凌日短周期小海王星（TOI-782b、TOI-1448b、TOI-2120b和TOI-2406b）绕红矮星运行。这些小海王星的半径大约是地球的2-3倍，轨道周期不到8天。此外，利用斯巴鲁望远镜上的IRD（红外多普勒）对它们的母星进行的径向速度测量表明，这四颗行星的质量上限小于地球质量的20倍。这些小海王星的测量半径与质量上限之间的关系表明，它们不是像地球那样的岩石行星。它们的内部很可能含有挥发性物质，如H2O等冰物质和大气。研究小组还发现，这四颗小海王星中至少有三颗（TOI-782b、TOI-2120b、TOI-2406b）可能处于偏心轨道。一般来说，由于潮汐消散作用，围绕红矮星的短周期行星轨道应该是圆形的。然而，围绕红矮星的三颗短周期小海王星在数十亿年中一直保持着非零的偏心率。对此的一种可能解释是，它们的内部不易受到潮汐效应的影响。这四颗小海王星的质量-半径关系表明，它们不是岩石行星。因此，这些神秘的小海王星的内部可能与海王星类似。短周期的小海王星是詹姆斯-韦伯太空望远镜进行大气观测的理想目标。预计进一步的详细跟踪观测将增进我们对短周期小海王星内部成分和大气层的了解。说明：小海王星或次海王星是大小介于地球和海王星之间的行星（半径约为地球的4倍）。有效温度低于~3,800K的M型恒星。美国国家航空航天局（NASA）的太空望远镜--凌日系外行星巡天卫星（TESS）。凌日是指行星从恒星前方经过时部分遮挡星光的现象。MuSCAT系列是安装在1至2米级大口径望远镜上的多色相机。行星的引力会导致其母星摆动。径向速度法（或多普勒法）利用恒星速度在视线方向上的明显变化来探测看不见的行星。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435123.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435123.htm

天文学家首次从地球上探测到海王星上的神秘黑斑

天文学家首次从地球上探测到海王星上的神秘黑斑天文学家利用欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT）在海王星大气层中观测到了一个巨大的暗斑，与之相邻的是一个意想不到的较小亮点。这是地球上首次用望远镜观测到海王星上的暗斑。海王星大气层的蓝色背景中偶尔出现的这些特征对天文学家来说是一个谜，而新的结果则为它们的性质和起源提供了进一步的线索。大斑是巨行星大气层中的常见特征，最著名的是木星的大红斑。在海王星上，美国宇航局的旅行者2号于1989年首次发现了一个黑斑，几年后黑斑消失。英国牛津大学教授帕特里克-欧文（PatrickIrwin）说："自从首次发现暗斑以来，我一直想知道这些短暂而难以捉摸的暗特征到底是什么。"他是这项研究的首席研究员，研究成果于8月24日发表在《自然-天文学》上。天文学家利用欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT）观测到海王星大气层中的一个大暗点，与之相邻的是一个意想不到的较小亮点。这段简短的视频总结了他们的发现。资料来源：欧洲南方天文台Irwin和他的团队利用欧洲南方天文台VLT的数据排除了黑斑是由云层"清除"造成的可能性。新的观测结果表明，黑斑很可能是由于海王星大气中的冰和霾混合后，空气颗粒在主要可见霾层下面的一层变暗造成的。得出这一结论并非易事，因为暗斑并不是海王星大气层的永久性特征，天文学家以前从未对其进行过足够详细的研究。在NASA/ESA哈勃太空望远镜发现海王星大气层中的几个暗斑之后，机会来了，其中包括2018年首次发现的位于海王星北半球的一个暗斑。Irwin和他的团队立即着手从地面对其进行研究--他们使用的仪器非常适合这些具有挑战性的观测。利用VLT的多单元光谱探测器（MUSE），研究人员能够将海王星及其光斑反射的阳光分成不同的颜色或波长，并获得三维光谱。欧文说："我非常激动，因为我不仅首次从地面上探测到了黑斑，还首次记录下了这种特征的反射光谱。"这张图片显示的是利用欧洲南方天文台甚大望远镜的MUSE仪器观测到的海王星。在海王星的每个像素上，MUSE都会将入射光分成不同的颜色或波长。这类似于同时获取数千个不同波长的图像，为天文学家提供了大量有价值的信息。这幅图像将MUSE拍摄到的所有颜色组合成海王星的"自然"视图，在右上方可以看到一个黑点。图片来源：ESO/P.Irwinetal.由于不同波长探测到的海王星大气层深度不同，因此有了光谱，天文学家就能更好地确定暗斑在行星大气层中的高度。光谱还提供了大气层各层化学成分的信息，这为研究小组提供了黑斑为何呈现暗色的线索。观测结果还带来了一个惊喜。研究报告的合著者、美国加州大学伯克利分校的研究员迈克尔-王（MichaelWong）说："在这一过程中，我们发现了一种罕见的深层亮云类型，这种类型以前从未被发现过，即使是从太空中也没有发现过。这种罕见的云类型以亮点的形式出现在较大的主暗斑旁边，VLT数据显示，新的'深亮云'与主暗斑处于同一大气层。这意味着与之前观测到的高空甲烷冰小'伴生'云相比，这是一种全新的特征。"该动画展示了利用欧洲南方天文台甚大望远镜的MUSE仪器观测到的海王星。在海王星的每个像素上，MUSE都会将入射光分成不同的颜色或波长。这类似于同时获取数千个不同波长的图像，为天文学家提供了大量有价值的信息。在这个动画中扫描了所有这些不同的波长，发现了不同的暗部和亮部特征。根据这些特征最突出的波长，天文学家可以找出造成这些特征的原因，以及它们位于海王星大气层的多深位置。资料来源：ESO/P.Irwinetal./L.Calçada在欧洲南方天文台VLT的帮助下，天文学家现在可以从地球上研究像这些斑点这样的特征了。"这是人类观测宇宙能力的惊人提升。起初，我们只能通过像旅行者号这样的航天器来探测这些光斑。后来，我们通过哈勃望远镜获得了远程发现这些光斑的能力。最后，技术的进步使我们能够在地面上观测到它们，"黄总结道，然后开玩笑地补充道，"这可能会让我这个哈勃观测员失业！"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379491.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379491.htm

科学家发现一个已经存在了40亿年的六行星系统

科学家发现一个已经存在了40亿年的六行星系统在所有类太阳恒星中，有超过一半在其近轨道上发现了半径在地球和海王星之间（所谓“亚海王星”）的行星，但人们对它们的构成、形成和演化细节不甚了解。HD110067是后发座的一颗明亮恒星，该星座在地球北半球可见。NASA的“凌日系外行星巡天卫星”（TESS）在2020年和2022年观测HD110067，发现恒星亮度数次下降，加之来自“系外行星特性探测卫星”（CHEOPS）的更多观测，芝加哥大学的RafaelLuque与合作者报告称，这些迹象可解释为6颗行星从恒星前面经过。通过研究3颗最深处行星，研究者计算了所有6颗行星的轨道，从最深处的约9天，到最外层的约54天。他们计算了这些行星的质量，并估计了它们的密度，推测认为富含氢的庞大大气可以解释其低密度。所有六颗行星都在共振轨道上，即行星在运行中对彼此施加有规律的力。这一特征表明，这个系统自诞生以来几乎未经改变，至少已有40亿年。研究者指出，HD110067是迄今发现拥有4个以上凌星系外行星中最明亮的恒星，在宜居带内外可能有更多行星，但迄今尚未观察到。他们总结说，HD110067系统提供了一个机会，让我们更多地了解亚海王星以及系统在该动态中可能如何形成。相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06692-3...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400961.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400961.htm