美国即将打开一扇了解地球神秘内部的新窗口

欢迎来到高压研究这个微妙、专业、有时甚至是爆炸性的世界。

在实验室中破碎和爆破样本可以帮助科学家们向内观察，为地球上难以到达的深处地区重建条件。 这项工作是调查有关我们存在的一些最深刻问题的关键：是什么让地球适合居住？ 生命是如何产生的？ 我们仍然不完全了解的地质过程如何维持今天的生命？

近年来，该领域的重点也向外转移， 数以千计的行星 已知绕其他恒星运行。 天文学家向我们展示了我们的银河系是一个动物园的所在地 水世界还有超级地球和热木星以及 海王星，其中一些提供了诱人的暗示，表明它们可能能够维持生命。 由于我们无法访问这些行星，更不用说调查它们的内部深处，因此最好的办法就是尝试在实验室中制造它们。

“到目前为止，在地球科学界，我们的首要目标一直是解释我们的存在，”亚利桑那州立大学的矿物学家 Dan Shim 说，他的实验室正在努力创造微型行星内部结构。 但现在，随着 [discovery of] 系外行星，我们有新的问题被问到。”

为了帮助推动这些探索，美国即将拥有第一台真正的“大型压力机”——科学家们十年前梦想的一台两层楼高的破碎机，由可施加 6,000 吨力量的液压机提供动力。 这个被称为“Ichiban”的工具将让科学家们能够在很大程度上压缩 更大的样本，可以提高我们对材料在极端条件下发生的情况的理解。

它是文件的一部分 1370万美元，国家资助的设施，命名为 力量，其中将包含一套具有新的压缩、压缩和滚动功能的工具。

亚利桑那州立大学的行星科学家约瑟夫·奥罗克说：“我们正处于一个激动人心的时代。我们的无知仍然如此之深，以至于我们正在提出非常基本的问题。”

奥罗克并不进行高压实验，而是将结果纳入模型中，以更好地了解行星是如何形成和演化的。 有时，这些模型会产生非凡的可能性。 他指出最近的一次研讨会，一位同事在会上展示了一个外星行星内部模型，该模型由 数英里的钻石。

奥罗克说：“你可以制作所有这些模型，而且根据物理和化学，这些东西在技术上都是可以想象的。” “我们有大量的工作要做，收集数据，以确定我们的故事是科幻小说还是科学事实。”

教科书插图中简洁明了地展示了行星的内部生命。 地球的各层——固态内核、熔融外核、地幔、地壳——看起来同心、颜色编码且对称，就像大块糖果一样。

但实际上，事情变得更加复杂。

通过测量地震产生的地震波如何在地球上传播，地质学家一直在绘制地球内部岩石或流体的温度、压力和特性图， 使他们能够破译地球内部的结构特征，例如医生读取超声波。 这些地图越来越多地显示出地球的重叠层是不规则的，有时是山区的，而且非常动态。

美国国家科学基金会项目官员大卫·兰伯特说：“在地幔底部，即地幔和地核交汇的地方，有迹象表明那里正在发生一些非常有趣的事情。”

了解地球内部的解剖结构是理解为什么外表面如此适宜居住的关键一步。 其中很多都可以追溯到基础化学。

地球的固体内核随着其周围的熔融物质凝固而生长，在将湍流对流引入外核的过程中释放出较轻的元素。 这反过来又产生磁场 生命护盾 有害的宇宙射线并防止太阳使我们的大气层发生偏转。 热量还从液态外核传播到地幔，有助于驱动构造活动，从而引发地震和火山，释放出可以改变气候的气体和灰尘。

地质学家称地核似乎被一层神秘的层包围着

加州大学圣克鲁斯分校的行星科学家昆汀·威廉姆斯说：“维持磁场的引擎可能取决于地球外铁核中氧或硫的化学行为。”

最近的一次钻探考察令科学家们兴奋不已，因为它从海底拉出了异常接近的地幔岩石。 但从地表到地核的距离大约与从华盛顿特区到凤凰城的距离一样长 – 挖得太深了。

因此，为了深入了解到底发生了什么，科学家们“边做边看”——他们 在实验室中挤压和加热不同的化学物质组合，然后观察会产生什么。

科学家们通过多种证据知道哪些化学元素在地球各层中占主导地位，这些证据包括地球密度的测量以及陨石（行星碎屑）的成分。 建筑块，地球内部的一部分 通过火山喷发到达地表。

几十年来，科学家们将这些部件置于巨大的热量和 通过旋转一个简单的手掌大小的设备的螺丝来按压，该设备称为 金刚石砧座，Shim 的专长之一。 它是在 20 世纪 50 年代末发明的，当时美国总务管理局将从走私者手中缴获的钻石免费提供给科学家。

如今，钻石砧细胞研究已成为一个成熟的领域，科学家可以从研究供应商那里购买钻石，而不是像 Shim 在其职业生涯早期那样前往曼哈顿的珠宝商。

研究人员需要稳定的供应，因为在足够的压力下，甚至钻石也会破裂，即科学家所说的爆炸。 这感觉就像一把勺子升到香槟杯上，但真正的影响是科学家们的情感影响，他们必须从头开始重新开始他们的实验。 Shim 在他的实验室后面有两箱碎钻，其中一些特别适合作为纪念品 重要的经历。

迄今为止，对金刚石砧细胞的研究已经取得了许多令人兴奋的发现，有助于揭示地球深处的彩色层。 绿色橄榄石在上地幔中占主导地位，但在压力和较高温度下，它会转变为一种称为瓦兹利石的蓝色矿物，然后转变为更深的蓝色尖晶石。 的形式 钙钛矿硅酸盐和 最近命名为布里奇马内特，主导下地幔。

二十年前，金刚石砧细胞实验揭示了 新金属相 在地核和地幔之间的模糊边界处。 这一层令地质学家着迷，因为它有助于地核和地幔之间的热量传递，并有助于移动构造板块和火山。

这些实验也可以提供对地外行星内部的深入了解。 最近的一个下午，在 Shim 的实验室里，博士后科学家 Sibu Chen 正在探索为什么火星是一块如此干燥、贫瘠的土地的问题。

火星车发现的特征和矿物质表明，数十亿年前，这颗红色星球上有丰富的水。 今天火星干燥的一种可能的解释是水的深度 星球内部 杀死地球的保护磁场。

陈压缩了尖晶橄榄石块（火星地幔中的一种矿物质，可以容纳水）和铁，铁在其核心中占主导地位，可以在压力下与氢形成。 该实验本质上是一场竞赛，目的是观察水（或其主要成分氢）在压力和热量的作用下最终会到达何处。 内六角扳手的精确摆动将样品压在 火星的地幔边界，大约是地球大气压的20万倍。

“我们已经准备好绕行了，”陈说，点击激光并在屏幕上观察，当光束加热样品时，焦点中出现一个发光的点。 随着温度的升高，这个点开始闪烁。

几天后，陈将金刚石砧室放入一个特殊的内衬盒子中，并带着它前往加利福尼亚州的 X 射线光束仪检查矿物的结构。 他仍在分析数据，但如果实验表明氢被铁芯吸引，则可能有助于揭示火星磁场为何在大约 40 亿年前消失。 如果氢等轻元素迁移到 液态铁芯，它可以漂浮形成 顶部稳定层，中断为磁场提供动力的对流动量。

尽管这些实验很明显，但金刚石砧座也有其局限性。 首先，样品必须是微观的，比人的头发还细。 为了压缩更大的样品，科学家们转向了另一种设备，称为多砧压机。

Kurt Linenweber 是亚利桑那州立大学新 FORCE 设施的领导者之一，他记得 1989 年他去日本旅行，当时他第一次使用多砧压机，该压机可以在实验室中产生地球内部发生的一些矿物变化。

“我太兴奋了，晚上睡不着觉，”他回忆道。 “只是躺在那里，我就无法停止思考你可以做的事情。”

如今，多砧压力机已在全国各地的实验室中使用，但科学家将能够使用超大尺寸的 Ichiban 来测试铅笔橡皮大小的样品，并在较小的尺度上进行困难的测量。

石溪大学地球科学系研究教授罗伯特·C·利伯曼说。 他在这一领域工作了四十多年，很高兴看到美国终于受到媒体的关注，赶上日本、德国和中国。

但要可靠地达到地核的最大压力 – 或者 即使在大行星内部，科学家也需要新的工具。

亚利桑那州立大学纳夫洛茨基·艾林宇宙材料中心主任亚历山德拉·纳夫洛茨基说：“原子核的行为——这是实验技术非常原始的地方。”

科学家们寻求通过发射气体弹丸或使用强大的激光脉冲来产生最大压力。 研究人员可能会从数据中获取百万分之一或十亿分之一秒，但他们可以使样本承受与地球核心相似甚至更高的压力。 这对于系外行星的研究来说尤其令人兴奋，因为迄今为止发现的一些外星世界比我们太阳系中的其他任何世界都更加极端。

超级类地行星是一类令人类兴奋不已的系外行星。 可居眉毛。 主要问题是这些行星内部是否有搅动的液体核心，可以产生保护性磁场，使其表面适合居住。

华盛顿卡内基科学研究所的莎莉·约翰·特雷西（Sally John Tracy）进行了这些瞬间实验。 她说，她发现整个领域最令人兴奋的事情之一是，这些实验跨越了不同的时间和规模，通过观察微缩模型来填充行星大小的图像。

特雷西说：“我们进行超快实验来思考太阳系的历史，并且我们使用非常小的样本……来了解影响行星体演化的大规模过程。”

“这让我很惊讶。”