钻石行星：碳行星的形成

在浩瀚无垠的宇宙中，存在着一种特殊类型的天体——钻石行星。这些星球以其内部蕴含的大量钻石而著称，成为天文学家们重点探索的对象。研究表明，这类行星的内部结构不是我们所熟悉的硅酸盐岩石，而是经过极端高压环境形成的石墨，甚至是结晶态的钻石，这类特殊结构为这些星球披上了一层独特的面纱。

地球，作为我们赖以生存的家园，是一个以硅酸盐为主的行星。然而，在宇宙的某些区域，存在着一种构成截然不同的行星——碳行星。这些行星的大气中氧气含量极低，主要由一氧化碳、甲烷等碳化合物组成。在这样的环境下，传统意义上的生命难以孕育，但却可能形成大量钻石。

碳行星的形成，与它们母恒星的化学成分有着密切的关系。当天文学家通过光谱分析一颗年轻恒星周围的原行星盘时，他们发现，如果盘中的碳氧比高于0.65，那么就有可能形成以碳为主要成分的岩石行星。在这些行星上，由于缺乏氧气，水分子含量也极低，因此地球型生命难以存在。但正是这样的环境，为钻石的大规模形成提供了理想条件。

在碳行星的内部，随着深度的增加，温度和压力逐渐升高。这种极端环境会将碳元素转化成石墨，而在更深的区域，甚至会形成钻石。根据理论模型推测，某些碳行星的核心区域可能蕴藏着巨量的钻石，这类天体无疑是宇宙中最特殊的矿藏之一。

2004年，天文学家在巨蟹座方向发现了一颗特殊的行星——巨蟹座55 e。这是围绕巨蟹座55的行星系统中，最靠近宿主恒星的一颗。通过凌星观测，天文学家测定这颗行星的碳与氧含量比例大于1，这确认它是一颗富碳行星。结合其精确测量的半径与质量参数，天文学家建立模型推算出，该行星的外壳可能主要由石墨构成，内部则存在一层巨厚的钻石层。这一发现开创了系外行星成分研究的新领域，也使巨蟹座55 e成为首颗被确认绕类太阳恒星运行的“钻石行星”。

然而，对于巨蟹座55 e的探索并未就此结束。天文学家们发现，尽管这颗行星成分分析显示富含碳元素，但它的母恒星巨蟹座55的氧含量却比碳多25%。这一发现引发了新的科学讨论：按照恒星－行星形成理论，母恒星的元素丰度应该直接影响其行星系统的成分。因此，亚利桑那大学的研究人员采用更精确的光谱分析方法重新分析了这颗行星及其宿主恒星的观测数据。最新研究发现，该行星中的碳元素丰度并没有此前认为的那么显著，其碳氧比实际上应该小于1。这意味着巨蟹座55 e可能更接近于普通的硅酸盐岩石行星，而非之前推测的以碳为主的“钻石行星”。

尽管如此，巨蟹座55 e的发现仍然为我们证实了宇宙中可能存在碳行星这一特殊类型天体。这些行星的形成与演化，与它们宿主恒星的元素组成密切相关。通过持续观测和研究这些特殊行星，我们可以更深入地了解行星系统的形成规律和宇宙多样性。

除了巨蟹座55 e之外，天文学家们还在脉冲星系统中发现了潜在的钻石行星。典型的例子是围绕白矮星运行的行星。白矮星是类似太阳的恒星演化末期的产物，当它们核心核燃料耗尽后，会坍缩成一颗高密度的天体。在这个过程中，白矮星的外层包层会被抛射，暴露出由碳和氧组成的致密核心。如果该白矮星处于脉冲星的强引力场中，那么脉冲星的潮汐力就有可能剥离白矮星的剩余外层，最终留下由结晶碳形成的致密内核。这样形成的天体，理论上将成为宇宙中极端高密度的碳质天体！

关于钻石行星内部结构的示意图

总的来说，钻石行星是宇宙中一类特殊的天体。它们因可能存在的碳结晶结构而引起学界关注，为系外行星研究提供了新的方向。尽管目前我们对这些行星的认知还存在不确定性，但随着观测技术的发展和理论模型的完善，科学界将能够逐步揭开更多关于它们的物理特性。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：白鹏 航天科技集团十一院 研究员