【导读】近日《自然通讯》发表文章，利用线性相干光源和高功率激光，对模拟“超级地球”内部环境的液态硅酸盐进行了原位X射线衍射实验。研究发现液态硅酸盐在高达385 GPa 的压力和18000 K的温度下，硅氧键长度几乎不变，而氧氧键和镁硅键长度显著缩短，该压缩机制与地球内部可能有所不同。研究结果为理解超级地球内部结构和演化提供了重要线索，并展示了研究极端条件下物质结构的新方法。
近年来，天文学家在太阳系外发现了越来越多的类地行星，其中一些被称为“超级地球”（Super-Earths），它们的质量是地球的数倍，但仍然远小于气态巨行星。超级地球被认为是寻找地外生命的理想场所，因为它们可能拥有适宜生命存在的液态水和大气层。
然而，要确定超级地球是否真的宜居，就需要了解它们的内部结构和组成。行星的内部结构对其表面环境有着至关重要的影响，例如地质活动、磁场和大气层的存在等。
液态硅酸盐（liquid silicates）是构成地球和其他类地行星内部的主要物质之一。在地球形成初期，高温高压的环境使得硅酸盐岩石熔化，形成了一个巨大的“岩浆海洋”（magma ocean）。随着时间的推移，岩浆海洋逐渐冷却结晶，形成了地球的内核、地幔和地壳。
为了深入了解行星的演化过程，科学家们需要研究液态硅酸盐在极端压力和温度条件下的物理性质和结构变化。然而，由于实验技术的限制，过去的研究主要集中在地球内部的压力和温度范围内。对于超级地球内部存在的更高压力和温度条件，人们对其液态硅酸盐的结构演变知之甚少。
为了克服传统实验技术的局限性，研究团队利用了世界上最亮的 X 射线激光源——LCLS，并结合高功率激光技术，对模拟超级地球内部环境的液态硅酸盐样品进行了原位 X 射线衍射（XRD）实验。
图1 极端条件物质实验站的装置示意图
在实验中，研究人员使用高功率激光将(Mg,Fe)SiO3玻璃样品压缩到高达385 GPa 的压力和 18,000 K 的温度，并使用 LCLS 产生的超短、超亮的 X 射线脉冲对其进行探测。通过分析 X 射线衍射图谱，研究人员可以确定液态硅酸盐的原子排列方式，从而揭示其在极端条件下的结构演变。
研究结果表明，液态硅酸盐在极端压力和温度下会发生连续的结构变化。具体来说，随着压力和温度的升高，硅氧键的长度几乎保持不变，而氧氧键和镁硅键的长度则显著缩短。这种结构变化表明，在超级地球内部的极端条件下，液态硅酸盐的压缩机制可能与地球内部有所不同。
图4 在类似条件下（标明了热力学条件）冲击压缩(Mg, Fe)SiO3的DFT-MD计算（虚线）和实验结果（实线）之间的直接比较。DFT-MD 是密度泛函理论分子动力学 (Density Functional Theory - Molecular Dynamics) 的缩写，它是一种结合了两种强大计算方法来模拟材料在原子尺度行为的技术
这项研究表明超级地球内部的液态硅酸盐可能具有与地球内部不同的物理性质，这将影响行星的冷却速率、内部结构和地质活动。另外，该研究为利用 X 射线自由电子激光研究极端条件下的物质结构提供了一种新的方法，为未来的行星科学研究开辟了新的可能性。
图5 与冷压缩MgSiO3玻璃相比，冲击压缩MgSiO2液体的总gX（r）的峰值位置（r1和r2）随密度和温度的变化
参考文献：Morard, G., Hernandez, JA., Pege, C. et al. Structural evolution of liquid silicates under conditions in Super-Earth interiors. Nat Commun 15, 8483 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51796-7
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