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威尼斯手机版游戏下载张友君研究员在《Science》发表评述文章

来源:本站 作者: 发布时间:2022-01-19

 

2022114日,我校威尼斯手机版游戏下载原子与分子物理研究所张友君研究员与德州大学林俊孚教授在国际顶级学术期刊《Science》发表了题为“Molten iron in Earth-like exoplanet cores”的评述论文(Science, 375, 146, 2022)。论文中四川大学为第一单位,张友君为第一作者兼通讯作者。该论文结合近年来课题组的研究进展,对当期Kraus等发表的论文“Measuring the melting curve of iron at super-Earth core conditions”进行了评述,同时对行星内部物理学研究领域进行了展望。

地球是我们人类目前已知且唯一适宜居住的行星。然而,当我们放眼于整个银河系以及宇宙时,像地球一样的行星不胜枚举。截至目前,科学家利用地基和太空大型望远镜发现了4500颗以上的系外行星,其中约三分之一为类似于地球的行星。这些类地行星的半径一般为地球的1-2.5倍,质量为地球的1-10倍,被称为“超级地球”。这类行星拥有与地球相似的化学成分和内部结构,比如硅酸盐地幔和金属铁地核。这些系外行星是否宜居不仅取决于其是否位于恒星宜居带,还取决于行星内部的物理性质与动力学特征。在多种因素的共同作用下类地行星表面才会产生合适的温度、水、大气以及磁场等适宜生物繁衍的有利条件。

文章指出,类似于地球,类地行星内部的活动对行星宜居性条件起着非常重要的作用,比如板块运动、地幔对流和地核对流等。其中,液态铁金属地核的带电对流可产生全球性磁场,该磁场保护着类地行星免遭来自恒星和宇宙的有害辐射。由于液态地核的对流受地核结晶的影响,因此确定在类地行星核条件下铁的熔化和结晶行为可进一步明确行星产生磁场的物理条件。

类地行星核处于比地核还要高数倍的极端高温高压环境(千万大气压以及几千至万摄氏度),目前仅能通过强激光加载才能在实验室中实现。文章指出,如果类地行星核由铁元素组成(或含有少量其它元素),根据最新研究结果表明,即使在超过地核压力数倍的条件下铁的熔化线斜率依然会小于行星核绝热温度梯度,那么熔融行星核在长时间的冷却作用下会从行星中心开始固化并形成内核。这种方式与地核类似,其可以在长约数十亿年间持续驱动类地行星核的对流并产生全球性磁场(如图)。另一方面,如果系外类地行星核在核幔分异过程中保留了大量的杂质或轻元素,那么铁轻元素合金的熔化线斜率可能小于行星核绝热温度梯度。这种情况下,熔融核的结晶可能从类地行星核中部或顶部开始,不利于行星核长时间维持对流和产生磁场(如图)。

文章还指出,行星核的熔化线和结晶方式仅仅是揭开类地行星内部动力学和行星宜居性关系的一方面,将来还需要同时从类地行星核和行星幔的物性(比如输运、声速、热力学性质等)进一步认识类地行星的秘密,以期待尽早揭开“我们是否是宇宙中独一无二的高级生命”的疑问以及寻找适合人类生存的另一颗星球。

 

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. 系外行星熔融核的两种典型结晶模式,图左为固态内核从地心形成的模式,图右为铁合金在地核中-顶部结晶的模式(据Zhang and Lin, Science, 375, 146, 2022

 

全文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn2051

 

张友君研究员课题组主要从事地球与行星的内部物理学以及极端条件物理学研究,在威尼斯手机版游戏下载原子与分子物理研究所建立了动态高压实验平台并组建了冲击波物理与地球物理研究室。在国家自然科学基金委和四川大学的资助下,课题组近年来在相关领域取得了多项突出的研究成果。其中,张友君研究员以第一作者或通讯作者近年来在Science, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., Phys. Rev. Lett., Sci. Bull., Earth Planet. Sci. Lett., Geophys. Res. Lett., Phys. Rev. B, J. Geophys. Res.Appl. Phys. Lett.等国际顶级或著名学术期刊发表论文20余篇。相关研究成果主要包括:确定了地核的熔化温度和结晶机制;揭示了地核的热对流、热演化和地球发电机驱动机制;系统研究了典型含水矿物在地幔条件下的稳定性和物性;系统研究了典型过渡金属元素在极端条件下的相变、熔化、输运和晶格振动等物性。