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打造氣態巨行星:在地球的科學家這樣了解木星—《BBC 知識》

  • 文/安迪.瑞吉威(Andy Ridgway)|英國西英格蘭大學科學傳播資深講師。
  • 譯/畢馨云|清華大學數學系畢,現專事翻譯。

全世界的科學家正在實驗室裡找尋方法,希望重現氣態巨行星內部的嚴峻環境,但願最後能發現當中的真實樣貌。

關於木星表面風暴的假想圖。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

關於木星表面風暴的假想圖。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

對使用「鑽石高壓砧」(diamond anvil cell)做實驗的物理學家而言,從實驗室傳出的聲響,除了普遍會有的嗡嗡聲,隱約夾雜尖銳的喀嚓聲,還有令人不舒服的爆裂聲,這些聲音對他們來說太熟悉了。鑽石高壓砧是一種可放在手掌上的裝置,有助於解答與行星形成有關的疑惑。當裝置發出音量跟銅板掉到地上差不多的細小劈啪聲時,就提醒著研究人員,他們已經把設備擠壓到上限了。

將氣體放在兩顆鑽石之間擠壓,以此模擬氣態巨行星上的高壓環境。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

將氣體放在兩顆鑽石之間擠壓,以此模擬氣態巨行星上的高壓環境。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

今(2016)年 1 月,英國愛丁堡大學的物理學家宣布,他們已經順利重現出氫的「金屬態」,方法就是利用鑽石高壓砧,把氫氣加壓到將近地球大氣壓力 400 萬倍的壓力。這是重要的成果,因為 80 年前就有科學家預測金屬態氫的存在,而且大家認為,金屬態氫對於氣態巨行星的內部運作極為重要。數十年來,世界各地的研究團隊爭相喧嚷著要把它做出來。

搞怪的東西

氣態巨行星沒有固體表面,它的組成物質主要是氫氣,其次是氦氣。

在地球上,我們認為氫是無色氣體,但在受到氣態巨行星內部的極大壓力時,氫會變成液體;而越接近這類行星的核心,壓力越大,液體又會變成「金屬似」的狀態,一般都認為其可導電。

「我們的研究領域頗具爭議,」愛丁堡大學的尤金‧格列高里安茲教授(Eugene Gregoryanz)說,今年年初他的團隊晉升為第一個做出金屬態氫的團隊。「過去有很多人宣稱自己做出了氫的金屬態。」但他表示,這些宣布後來都證明是不實之說;這也意味著他對自己的研究成果十分謹慎。

「雖然我們深信自己做出的金屬態氫具有導電性,但目前沒有鐵錚錚的實例,所以只說這是金屬態氫的前驅物,」格列高里安茲說。讓金屬態氫成為研究焦點的原因,不只是因為氫占了氣態巨行星組成很大的一部分,「也是因為依照理論,氫在高壓下會有別處見不到的離奇性質,」他補充說明。性質之一是,液態氫具有超導性,可以導電且不會產生電阻。

「我很確定,要是能證明液態氫是超導體或超流體,就有望拿到諾貝爾物理獎。」

藝術家想像,氫氣之洋在滿是亂流的天空下翻騰。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

藝術家想像,氫氣之洋在滿是亂流的天空下翻騰。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

鑽石高壓砧是極為簡單的科學工具,有個可用扳手旋緊的金屬框,金屬框內有兩顆光燦無瑕、價值不斐的鑽石,旋緊時會碰在一起。在旋緊的過程中,夾在兩顆鑽石之間的氫氣就受到擠壓,使壓力越升越高。

鑽石是已知最硬的天然物質,但往往會在高壓砧產生的高壓下碎裂,特別是當我們擠壓氫氣時,氫在高壓下具有活性,會讓鑽石變得脆弱。「使用鑽石高壓砧時,經常會聽見鑽石碎裂聲,這可不是悅耳的聲音。」史都華.麥威廉斯博士(Stewart McWilliams)說,他在愛丁堡大學使用的就是鑽石高壓砧。這些年來他們不斷改善技術,讓鑽石更耐高壓,實驗因而有所進展。

模糊的景象

對此領域的研究人員而言,所謂成功是,趁著設備毀損前,盡可能抓緊時間取得堪用的結果。「只有十億分之一秒的工夫,」麥威廉斯說,「但在整個系統瓦解之前,你會看到有趣的事發生。」

除了收集數據的時間很短之外,另一項主要挑戰是,在如此高壓的條件下,很多分析技術都行不通,譬如可檢視氫是否變成液體的 X 光繞射術。這就說明了為什麼研究人員已打開深入氣態巨行星的機會之門,但前方仍是一片霧茫茫。

另外,鑽石高壓砧到底能產生多大的壓力,也是個問題。雖然鑽石高壓砧產生的 400 萬大氣壓已讓我們比過去更接近氣態巨行星的核心狀態,但比起木星核心附近、可能高達地球大氣壓 45 億倍的壓力,根本天差地遠。不過還是有其他方法可以在地球上達到這種超乎想像的高壓。

美國加州勞倫斯利福摩爾國家實驗室的強.艾格特博士(Jon Eggert)採用雷射產生高壓震波取代板手壓縮金屬塊。研究人員利用一般核融合實驗的設備,譬如紐約雷射能量學實驗室(LLE)的 OMEGA 雷射,把雷射光束對準裝滿氣態巨行星組成氣體的小容器,當這些容器變成電漿時,產生的震波就會擠壓內部的氣體。

雷射能量學實驗室的 OMEGA 雷射,可擠壓氣態巨行星的組成氣體。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

雷射能量學實驗室的 OMEGA 雷射,可擠壓氣態巨行星的組成氣體。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

震波科學

在這些「轟轟烈烈的實驗」達到更高壓的同時,也會產生高溫。「木星內部的溫度估計是在攝氏一萬度到兩萬度的量級,而震波實驗中可以測量到高達攝氏 10 萬度。」艾格特說。

格列高里安茲指出了另一個問題:雖然可用震波產生「超現實」的高壓,但要取得能用的數據,會比用鑽石高壓砧更困難。「他們雖然可以做出高壓,但根本測不出什麼結果,」他解釋,「就連壓力測量都會有些爭議。」

儘管不少挑戰,艾格特的震波實驗仍然有進展。艾格特和同事在雷射能量學實驗室中,探究高壓下的氫氦混合物會發生什麼變化。若是預先利用鑽石高壓砧壓縮氫氦混合物,就能控制住接受震波後的溫度,此研究成果目前尚未發表。

這些實驗結果顯示,比起木星上的條件,土星的溫度和壓力分布情形使這些氣體在高壓下更不可能再混合,因而出現「相分離」現象,所以在土星內部,大部分的氫與氦會分離。「在土星核心附近的多餘氦能量,可能會使土星加溫,」艾格特說。如果氦果真在其中且因摩擦產生熱,那就解答了土星最大的謎團之一:既然土星形成之後沒有留下餘熱,為什麼輻射出的能量卻比吸收到的太陽能多了 80%。

即將到來

然而,能告訴我們氣態巨行星內部運作模樣的,不只我們在地球上做的實驗。1995 年,美國 NASA 從太空船「伽利略號」(Galileo)上發射一個探測器到木星的大氣層,這個探測器在高壓、高溫下解體之前,有幾項有趣的發現,例如發現水蒸氣的含量比預期的少(參見下方的〈航向未知〉欄位)。而 NASA 太空船「朱諾號」(Juno)的主要目的,就是找出這類現象的成因,朱諾號已在今年7月4日抵達木星,即刻展開更為深入的探訪。

伽利略號在前往木星的途中,也順道拜訪了月球。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

伽利略號在前往木星的途中,也順道拜訪了月球。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

航向未知

今(2016)年 7 月,NASA 太空船「朱諾號」(Juno)抵達木星,承接由伽利略號開啟的重要探測工作,而朱諾號的主要目的,就是找出這類現象的成因,在 7 月 4 日抵達木星之後,即刻展開更為深入的探訪。

今年7月朱諾號抵達木星,承接由伽利略號開啟的重要探測工作。在太空船「伽利略號」發射之前,科學家就對於木星的內部運作有很多疑問。這個帶有許多精密儀器、重達 2.5 噸的大塊頭,在 1989 年由「亞特蘭提斯號」太空梭運送升空,經過六年才抵達太陽系的最大行星。

到達當天,「伽利略號」便投放一個探測器到濃密的木星大氣層中,探測器降落前兩分鐘的氣溫,是太陽表面的兩倍;儘管條件如此險惡,探測器上的儀器仍提供了關於這顆龐大行星的迷人資訊。

除了偵測到比地球上更猛烈的閃電,探測器還記錄了與木星組成相關的有趣資料,顯示氦的成分比預期中少很多;資料中也透露水蒸氣很少。讓我們一同期待在進一步勘測木星後,朱諾號回傳到地球的數據。

圖中正在組裝的「朱諾號」於 2011 年 8 月發射升空,經過五年的飛行時間,如今已抵達木星。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

圖中正在組裝的「朱諾號」於 2011 年 8 月發射升空,經過五年的飛行時間,如今已抵達木星。圖/《BBC 知識 2016 年 8 月號》

設置在朱諾號的微波儀器將設法判斷木星內部是否藏有水,這項證據將可協助了解像木星這類氣態巨行星形成的主流理論所說是否為真:由冰組成的核心大到足以把氫吸引過來。然而不光是藏水的位置可揭露氣態巨行星如何形成,弄清楚氫氣現在的狀態,以及在越深入氣態巨行星內部、壓力驟升的情況下,氫氣會在什麼位置發生相變,這些資訊都能讓我們回推行星的誕生。

這一切來得正是時候,由克卜勒望遠鏡偵測到的巨大行星目前與各自母恆星間的距離,比當前盛行的恆星系形成模型所預測的還要接近。因此若能更加了解行星形成,勢必有助於我們依照對其他恆星系統的新知,重新調整這些模型。

尚有許多重要的問題待解答,也難怪世界各地的物理學家願意多忍受一些鑽石碎裂聲了。


《BBC 知識 2016 年 8 月號封面》

 

 

本文摘自《BBC知識國際中文版》第 60 期(2016 年 8 月號)。

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