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美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的科学家,最近帮忙破解了天体物理学中一个久久悬而未决的谜题:为什么介于地核与地壳之间、厚约3200千米的地幔中,到处都散布着铁元素?

地球下铁雨

乍一看,那些铁元素似乎来自于地球形成的最后阶段,地球与诸多星子(planetesimal,直径小到几米,大到数百千米)之间的碰撞。但是,那些撞击应该有足够的威力,像子弹那样直达地球的核心,那里是现今地球上绝大多数铁元素聚集的地方。

另外,同等比例下,月球的月幔中铁元素却比地球的地幔中少得多,这一点也难以解释。既然月球应该跟地球这颗邻近的行星一样,经历过同样来自地球以外的星子轰炸,那应该如何解释月球月幔中铁元素的缺失呢?

为了回答这些问题,美国哈佛大学教授施泰因·雅克布森(Stein Jacobsen)和美国加利福尼亚大学戴维斯分校教授莎拉·斯图尔特(Sarah Stewart)领导的一批科学家,对铁在高压下发生气化的临界点的理论值提出了质疑。如果气化能够在比理论值更低的压强下发生,一块固体的铁就可能在星子撞击地球后气化成为铁蒸气,包裹在正在形成的地球周围,而不会直接穿透到地核。由此产生的铁雨,应该能够形成今天散布在地幔之中的铁元素富集带。

至于月球,铁气化为蒸气的过程同样会发生,但这颗卫星引力较弱,应该没有能力俘获铁蒸气,这可以解释为什么铁没有在距离地球最近的这颗卫星上堆积。

为了寻找实验证据,而不只是理论估值,这些科学家转而求助于桑迪亚国家实验室的Z机器(Z machine)。Z机器是世界上最强大和最高效的辐射源实验室。它利用强磁场,配合大电流,以产生高温、高压和强劲的X射线,用于高能量密度科学研究。Z机器能够创造这个地球上任何其他地方都找不到的极端环境。

最终,桑迪亚国家实验室、哈佛大学、加利福尼亚大学戴维斯分校,以及美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室联手合作,决定通过实验测定铁的气化临界值,用以取代已经沿用了好几十年的理论值。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的里克·克劳斯(Rick Kraus)以及桑迪亚国家实验室的研究人员雷·莱姆基(Ray Lemke)和塞思·鲁特(Seth Root),使用Z机器里的强磁场将金属加速到超高的速度。这些科学家将一个厚200微米、面积5平方毫米的铁盘制成靶标,然后将铝制飞盘加速到每秒25千米,高速撞击靶标。在这样的撞击压强下,铁盘中产生的强大激波会导致靶标压缩,升温,并且气化。

结果显示,实验中能够使铁气化的激波压强大约为507 GPa(1 GPa相当于10亿帕斯卡),比先前理论预计的887 GPa低了超过40%。天体物理学家说,在行星通过吸积形成的最后阶段,这样一个较低的压强是容易达到的。

首席研究员克劳斯说,“由于行星科学家先前总以为铁很难气化,他们从来没有想过气化过程在地球以及地核的形成过程中会起到重要的作用。但有了我们的实验,我们证明,铁在天地冲撞的时候非常容易气化。”

他还说,“这改变了我们思考行星形成过程的方式,铁并不是大块大块沉入地球的核心,而是被气化,在地表呈柱状上升并扩散开来,再以小液滴的形式像雨一样落下。这些较小的铁雨滴很容易混入地幔,改变了我们对于用来测定地核形成年代的地球化学数据的解释。”