在我们的太阳系之外，即使使用最强大的望远镜，也只能看到宇宙中最小的一个点，而其他的世界也存在。天文学家们发现，其中许多星球可能比地球大得多，而且完全被水覆盖——基本上是没有突出陆地的海洋行星。什么样的生命可以在这样的世界上发展?像这样的栖息地能维持生命吗?
由亚利桑那州立大学(ASU)领导的一个研究小组最近开始调查这些问题。由于他们无法到遥远的系外行星去采集样本，他们决定在实验室里重现那些水世界的环境。在这种情况下，该实验室是先进光子源(APS)，美国能源部(DOE)科学用户设施办公室在能源部的阿贡国家实验室。
“当谈到x射线设备时，人们几乎不会想到天体物理学。但我们可以使用APS这样的设备来理解我们看不见的遥远物体。”——Dan Shim，亚利桑那州立大学副教授
他们的发现最近发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上，这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不像地球上那样坚实。这一关键的发现可能会改变天文学家和天体物理学家一直以来对这些系外行星建模的方式，并为我们思考生命在这些行星上进化的方式提供信息。
亚利桑那州立大学的副教授Dan Shim领导了这项新研究。希姆领导着亚利桑那州立大学的地球和行星物质实验室，长期以来，他对这些遥远世界的地质和生态构成十分着迷。他说，这种成分和我们太阳系的任何行星都不一样——这些行星的岩层顶部可能有超过50%的水或冰，而这些岩层必须在非常高的温度和压碎的压力下存在。
“确定系外行星的地质情况是困难的，因为我们不能使用望远镜或发送漫游者到它们的表面，”Shim说。“所以我们试着在实验室里模拟地质。”
怎么做呢?首先，您需要正确的工具。在这个实验中，Shim和他的团队将他们的样本带到两个APS波束中:芝加哥大学运营的beamline 13-ID-D的GeoSoilEnviroCARS (GSECARS)和Argonne x射线科学部运营的beamline 16-ID-B的高压协作访问团队(HPCAT)。
样品被压缩在金刚石砧细胞，本质上是两个宝石质量的钻石与微小扁平的尖端。把一个样品放在钻石之间，你可以把钻石挤压在一起，增加压力
“我们可以把气压提高到几百万个大气压，”Yue孟说，他是阿贡大学x射线科学部的物理学家，也是这篇论文的合著者。孟是HPCAT所用技术的主要设计者之一，HPCAT专门从事高压、高温实验。
她说:“APS是世界上为数不多的可以进行这种尖端研究的地方之一。”“beamline的科学家、技术人员和工程师使这项研究成为可能。”
西姆说，系外行星的压力是可以计算出来的，杏耀苹果客户端尽管我们掌握的这些行星的数据有限。天文学家可以测量行星的质量和密度，如果已知行星的大小和质量，就可以确定合适的压强。
一旦样品被加压，红外激光就会被用来加热，这种激光可以调节到比人体血细胞的宽度还小。“我们可以把样本带到华氏数千度，”GSECARS的beamline科学家维塔利普拉坎卡(Vitali Prakapenka)说。他是芝加哥大学(University of Chicago)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边照射样品，它们与超明亮的APS x射线探针精确对齐，并沿光路进行温度测量，精确度达到亚微米级。”
系外行星的温度很难测量，因为有太多的因素决定了它:行星内部的热量，行星的年龄，以及在结构内部衰变释放出更多热量的放射性同位素的数量。希姆的团队计算了工作所需的温度范围。
一旦样品被加压和加热，APS的超亮x射线光束(可以穿透钻石进入样品本身)就能让科学家在化学反应发生时拍下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，并监测材料的反应。
他们发现，在30亿帕的高温高压下(大约是地球标准大气压的30万倍)，水和岩石开始融合。
“如果你要建造一个有水和岩石的行星，你会假设水在岩石上面形成了一层，”他说。“我们发现这并不一定是真的。有了足够的热量和压力，岩石和水的边界就变得模糊了。”
Prakapenka说，这是一个需要纳入系外行星模型的新想法。
“主要的一点是，它告诉建模这些行星结构的人们，其组成比我们想象的更复杂，杏耀苹果app”Prakapenka说。“之前我们相信岩石和水之间存在分离，但基于这些研究，没有明确的界限。”
希姆说，科学家以前也做过类似的实验，但都是基于类似地球的环境，水量的增加更小。通过观察这种新的相变，建模者可以更好地了解富含水的系外行星的实际地质构成，也可以深入了解哪些生命可以将这些系外行星称为“家”。
“这是建立这些行星上化学作用方式的一个起点，”希姆说。“水如何与岩石相互作用对地球上的生命来说很重要，因此，了解这些星球上可能存在的生命类型也很重要。”
希姆承认，当人们想到像APS这样的光源时，首先想到的并不是这项研究。但他说，正是这种多样性是大规模用户设施的优势。
“人们在谈论x射线设备时几乎不会想到天体物理学，”他说。“但我们可以使用像APS这样的设备来理解我们看不见的遥远物体。”
