水星：鉆石行星的璀璨奇跡

在太陽(yáng)系大家庭中，水星是離太陽(yáng)最近的行星。近日，中國(guó)和比利時(shí)的科學(xué)家利用高溫高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M了水星的內(nèi)部條件，并結(jié)合熱力學(xué)和行星物理模型，證明了在水星內(nèi)部極端條件下，其核幔邊界處可能存在一個(gè)巨大的鉆石圈層……

水星檔案

被太陽(yáng)寵愛的“小孩”

水星就像一個(gè)被太陽(yáng)寵愛的小孩，總是圍繞在太陽(yáng)身邊。然而，這種親密關(guān)系也給水星蒙上了一層神秘的面紗。太陽(yáng)的光芒實(shí)在太耀眼了，以至于我們很難直接觀測(cè)到水星——水星的身影常常被太陽(yáng)的光芒所掩蓋。

不僅如此，太陽(yáng)的輻射讓水星的表面溫度變得極端：白天，水星表面溫度高達(dá)430攝氏度，足以融化鉛塊；而到了夜晚，溫度又驟降至零下170攝氏度，比南極還要冷。這種極端的溫度變化，對(duì)航天器的材料和設(shè)計(jì)提出了極高的要求，也讓水星探測(cè)面臨巨大挑戰(zhàn)。

水星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在太陽(yáng)系中，地球、火星、金星和水星這樣的行星，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)雞蛋，蛋殼和蛋清都是由巖石構(gòu)成，被稱為行星的殼層和幔層；蛋黃是由金屬鐵構(gòu)成的，被稱為行星核。水星的金屬核和巖石幔層之間的界面，就是核幔邊界。

特殊的“烤箱”

為了揭開水星的神秘面紗，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)射了多個(gè)航天器前往這顆行星進(jìn)行探測(cè)。其中，有航天器在水星表面發(fā)現(xiàn)了大量石墨，于是科學(xué)家猜測(cè)，這顆行星可能曾經(jīng)擁有一個(gè)富含碳元素的巖漿海洋。這不禁讓人好奇，水星內(nèi)部是否還隱藏著更珍貴的寶藏——鉆石？那么，科學(xué)家是如何研究水星內(nèi)部的呢？畢竟，人類可沒法鉆到水星中心去看看。別擔(dān)心，科學(xué)家有他們的“魔法”——高溫高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

科學(xué)家首先準(zhǔn)備了一些與水星成分相似的材料，然后把它們放進(jìn)高溫高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備這個(gè)特殊的“烤箱”里。這個(gè)“烤箱”可不是用來烤面包的，它能產(chǎn)生極高的溫度和壓力，模擬水星內(nèi)部的極端環(huán)境。

有多極端呢？想象一下，把一架大型客機(jī)壓在你指甲蓋那么小的地方，這就是實(shí)驗(yàn)中施加的壓力——大約相當(dāng)于7萬(wàn)個(gè)大氣壓！而溫度呢？超過2000攝氏度，足以把鋼鐵融化成液體！

在這樣的高溫高壓下，水星內(nèi)部的物質(zhì)會(huì)發(fā)生奇妙的變化。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，原本普通的碳元素竟然變成了閃閃發(fā)光的鉆石！這為水星內(nèi)部可能存在鉆石圈層的假說提供了有力的證據(jù)。

從沸騰到冷卻

鉆石圈層的形成過程是怎樣的呢？

40多億年以前，水星剛剛誕生時(shí)，表面被一片熾熱的巖漿海洋覆蓋，就像一口巨大的熔巖鍋。隨著時(shí)間的推移，巖漿海洋逐漸冷卻凝固，形成了水星的巖石幔層。

然而，水星內(nèi)部的故事并沒有就此結(jié)束。它的金屬核心也在慢慢冷卻，就像一塊逐漸凍結(jié)的巨大冰塊。在這個(gè)過程中，核心中的碳元素開始析出，形成了閃閃發(fā)光的鉆石。這些鉆石慢慢上浮，最終聚集在核幔邊界，形成了一個(gè)厚厚的鉆石圈層。

科學(xué)家通過行星物理學(xué)模型估算，水星核幔邊界的鉆石圈層厚度可以達(dá)到十幾公里，這相當(dāng)于珠穆朗瑪峰海拔高度的兩倍。而且，隨著水星內(nèi)部繼續(xù)冷卻，這個(gè)鉆石圈層還會(huì)變得越來越厚。

鉆石圈層造就了強(qiáng)大磁場(chǎng)？

水星內(nèi)部可能存在的鉆石圈層為我們提供了一種獨(dú)特的解釋方式，幫助我們理解這顆行星的一系列神秘特征，特別是它的磁場(chǎng)成因。

水星的磁場(chǎng)相對(duì)于其大小和內(nèi)核的尺寸來說異常強(qiáng)大，這是科學(xué)家一直以來感到困惑的問題。水星是太陽(yáng)系八大行星中體積最小的一個(gè)，通常情況下，像水星這樣的行星，其內(nèi)部的液態(tài)金屬核心不足以產(chǎn)生如此強(qiáng)大的磁場(chǎng)。鉆石圈層的假設(shè)為解釋水星強(qiáng)大的磁場(chǎng)提供了一個(gè)新的視角。鉆石圈層的存在可能對(duì)水星內(nèi)部的溫度分布產(chǎn)生影響，從而影響其內(nèi)部的液態(tài)金屬流動(dòng)的速度和模式。這種流動(dòng)是產(chǎn)生磁場(chǎng)的關(guān)鍵，因?yàn)樗苄纬深愃瓢l(fā)電機(jī)的效應(yīng)（即電磁感應(yīng)現(xiàn)象，詳見《知識(shí)就是力量》雜志2024年2月刊）。

此外，鉆石具有極高的導(dǎo)熱性，這意味著它可能會(huì)改變核心周圍的熱量分布。這種獨(dú)特的溫度梯度可能進(jìn)一步影響液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響磁場(chǎng)的產(chǎn)生和維持。也許，水星的鉆石圈層正是它擁有強(qiáng)大磁場(chǎng)的秘密武器。

水星鉆石圈層的假設(shè)，為我們研究其他富含碳的行星提供了新的思路。如果這些行星上也存在鉆石或其他碳基化合物，它們可能記錄了這些行星的歷史和演化過程，甚至為我們尋找外星生命提供線索。

富含碳的行星可能具備一定的潛在生物適宜性，如果這些行星表面或內(nèi)部存在類似鉆石的礦物質(zhì)和其他碳基化合物，它們可能為生命的存在提供必要的化學(xué)環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)。

知識(shí)鏈接

碳的千面“人生”

碳，是宇宙中第四豐富的元素，僅次于氫、氦和氧。它不僅是構(gòu)成生命的基礎(chǔ)，還在宇宙中扮演著重要的角色。

碳元素的化學(xué)性質(zhì)使其能夠形成各種各樣的分子和物質(zhì)。例如，它既能組成柔軟的石墨，也能形成堅(jiān)硬的金剛石（鉆石）。這兩種物質(zhì)雖然都是由純碳元素構(gòu)成，但卻具有截然不同的物理、化學(xué)性質(zhì)。

石墨

石墨，是自然界最軟的礦物之一，我們平時(shí)用的鉛筆芯就是石墨做的。它摸起來滑滑的，很容易碎裂。這是因?yàn)槭械奶荚邮且粚右粚优帕械?，就像一疊紙一樣，很容易被分開。

鉆石

而鉆石，則是自然界已知最硬的礦物。它晶瑩剔透、堅(jiān)不可摧，被譽(yù)為“寶石之王”。鉆石的硬度源于它獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)：碳原子以一種非常穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)連接在一起，形成了一種堅(jiān)固的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，就像無數(shù)個(gè)三腳架牢牢地拼接在一起。