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碳的X射线透视图

在行星的中心,可以发现极端的状态:数千度的温度,比大气压力大一百万倍的压力。因此,只能在有限的范围内对其进行直接探索,这就是为什么专家团体正试图使用复杂的实验来重现等效的极端条件。一个国际研究团队,包括Helmholtz Zentrum Dresden Rossendof(HZDR)已经将一种已建立的测量方法应用于这些极端条件,并成功地进行了测试:该团队利用世界上最强的X射线激光的闪光,近距离观察了重要元素碳,以及它的化学性质。据《等离子体物理学》杂志报道,该方法现在有可能对太阳系内外的行星内部提供新的见解。

热量是无法想象的,压力是巨大的:木星或土星内部的条件确保在那里发现的物质呈现出一种不寻常的状态:它像金属一样致密,但同时像等离子体一样带电。HZDR的物理学家Dominik Kraus和罗斯托大学的教授解释道:“我们把这种状态称为温暖的致密物质。”“这是在行星内部发现的固态和等离子体之间的一种过渡状态,尽管它也可能在地球上短暂出现,例如在流星撞击期间。”在实验室中对这种物质状态的任何细节进行检查都是一个复杂的过程,例如,向样品发射强激光闪光,眨眼间,加热和冷凝它。

但是这种温暖致密物质的化学性质到底是什么样的呢?到目前为止,现有的方法对这个问题只能给出不令人满意的答案。因此,一个来自六个国家的研究小组根据世界上最强的X射线激光——汉堡的欧洲XFEL——提出了一种新的方法。在加速器中产生一公里长、极短、强烈的X射线脉冲。HZDR辐射物理研究所的主要作者Katja Voigt说:“我们将脉冲指向薄碳箔。”。“它们是由石墨或钻石制成的。”在金属箔中,一小部分X射线闪光分散在电子及其周围环境上。关键是散射的闪光可以揭示碳原子与环境形成了何种化学键。

在被称为X射线拉曼散射(X-ray Raman scattering)的惊奇出现之后,材料科学等领域的研究人员使用这种方法已有相当一段时间了。但是,围绕沃格特和克劳斯的研究小组第一次成功地为探测温暖致密物质的实验装备了它。克劳斯解释说:“一些专家怀疑它是否有效。”。特别是必须捕获碳箔发出的X射线信号的探测器,必须既高效又高分辨率,这是一项重大的技术挑战。但对测量数据的分析清楚地表明了碳进入了哪些键合状态。“我们有点惊讶,它工作得这么好,”Voigt说,显然很高兴。然而,如果他们将这种方法应用于加热致密物质,仍然缺少一些强大的激光闪光,这些闪光会将碳箔驱动到高达100000度的高压和高温。为此,在HZDR的赞助下,最近在欧洲XFEL上启用了Helmholtz国际极端场波束线(HIBEF)。它是世界上最现代化的研究设施之一,拥有高性能激光器,可以在几个月内完成第一次X射线拉曼实验。多米尼克·克劳斯说:“我真的很乐观它会起作用。”。

实验室中的彗星撞击该方法很可能促进许多不同的科学见解:一方面,目前尚不清楚地球核心中存在多少碳或硅等轻元素。实验室实验可以产生重要的指标。Katja Voigt解释说:“新方法不仅限于碳,还可以应用于其他轻元素。”。另一个有待探索的问题是所谓的气态巨行星(如木星)和冰态巨行星(如海王星)的内部。在这里,复杂的化学反应将会发生,就像它们在遥远的类似高度的系外行星上一样。在实验室中使用X射线拉曼方法重现这些过程应该是可行的。克劳斯希望:“也许有可能解决海王星和土星等行星释放出的能量比它们实际应该释放的能量更多的问题。”。

此外,这一新方法应该使科学家能够在微型尺度上模拟彗星撞击:如果彗星真的一次一次地将有机物质输送到地球上,撞击会引发有利于生命发展的化学反应吗?该方法甚至具有技术应用的潜力:从原则上讲,在极端条件下,似乎有可能形成具有迷人特性的新材料。例如,超导体在室温下工作,不需要像现有材料那样复杂的冷却。这种室温超导体将具有巨大的技术价值,因为它可以完全无损耗地导电,而不必用液氮或液氦冷却。

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