在金剛石砧座中對(duì)預(yù)壓樣品進(jìn)行XFEL泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)的示意圖。(A)XFEL泵和探針實(shí)驗(yàn)的科學(xué)幾何學(xué)。(DAC內(nèi)4微米厚的家模巨杭州外圍（外圍模特）外圍女（電話微信156-8194-*7106）真實(shí)上門外圍上門外圍女，快速安排30分鐘到達(dá)鐵箔照片，周圍有揮發(fā)性流體:H2O(上)和二氧化碳(下)。擬早(C)在Fe + H2O(左)和Fe + CO2(右)系統(tǒng)中XFEL誘導(dǎo)反應(yīng)下的期地球大氣演XRD圖像和圖案。貸方:uux.cn/科學(xué)進(jìn)展，化過(guò)doi: 10.1126/sciadv.adi6096
（神秘的程中地球uux.cn）據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（塔瑪拉西·吉萬(wàn)達(dá)拉）：大氣和巖漿海洋中由巨大撞擊驅(qū)動(dòng)的氧化還原過(guò)程可能在地球演化過(guò)程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。然而，撞擊造成缺少那個(gè)時(shí)代的氧化巖石記錄使得理解這些過(guò)程變得很困難。
在科學(xué)進(jìn)展發(fā)表的行星一份報(bào)告中，Jinhuyuk Choi和一個(gè)由首爾、科學(xué)杭州外圍（外圍模特）外圍女（電話微信156-8194-*7106）真實(shí)上門外圍上門外圍女，快速安排30分鐘到達(dá)德國(guó)和韓國(guó)的家模巨行星科學(xué)家組成的研究小組提交了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這些結(jié)果可以使用X射線自由電子激光模擬鐵和揮發(fā)物之間的擬早巨大碰撞驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。
科學(xué)家們使用X射線自由電子激光泵將鐵氧化為wüstite，期地球大氣演并將揮發(fā)物還原為氫氣和一氧化碳。化過(guò)鐵氧化形成氫化物和菱鐵礦，暗示著氧化還原邊界。這些發(fā)現(xiàn)揭示了創(chuàng)造還原大氣的過(guò)程，這是早期地球上出現(xiàn)前生物有機(jī)分子的基礎(chǔ)。
地球的演化和生命的起源
導(dǎo)致45億年前月球形成的早期巨大撞擊是地球演化的災(zāi)難性決定因素。由于這種巨大的撞擊效應(yīng)，在蒸汽大氣和巖漿海洋中發(fā)生的全球化學(xué)混合和氧化還原過(guò)程導(dǎo)致了在還原大氣中的放氣和過(guò)渡形成；生命起源的先決條件。
雖然各種研究提出了地球早期地幔和大氣氧化還原過(guò)程的可能場(chǎng)景，但研究人員將前生物物種的形成歸因于地球的低氧逸度。自太古代以來(lái)，地球的地幔被氧化到今天的水平，含有水、二氧化碳和氮。為了進(jìn)行再現(xiàn)早期地球條件的數(shù)值模擬，研究人員需要開發(fā)適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證巨大的撞擊引發(fā)的反應(yīng)。

XFEL泵脈沖的能量分布以及壓力和溫度的時(shí)間演化。(A)將MFI誘發(fā)的能量(即不同模型中撞擊的比能與Carter等人(25)采用的proto-Earth的相應(yīng)內(nèi)部能量增益)與本研究中使用的XFEL泵輸送的峰值能量進(jìn)行比較。由藍(lán)色矩形包圍的區(qū)域表示本研究中使用的XFEL泵所達(dá)到的條件。(B)XFEL泵產(chǎn)生的鐵的溫度演變示意圖，修改自丈夫等人(39)。圖表頂部的數(shù)字表示(I)皮秒內(nèi)發(fā)生的等容加熱，(ii)電子-離子平衡，其中電子的激發(fā)將熱量傳遞給組成晶格的離子，(iii)等熵釋放，和(iv)等壓冷卻。插圖顯示了本研究中使用的重復(fù)頻率為30赫茲的XFEL泵產(chǎn)生的熱量的非累積性。(C)XFEL泵中心周圍的熱能分布是α-Fe中徑向距離和穿透深度的函數(shù)。半峰半寬。貸方:uux.cn/科學(xué)進(jìn)展，doi: 10.1126/sciadv.adi6096
月球形成的影響可能已經(jīng)蒸發(fā)了大量的硅酸鹽地球，形成了蒸汽大氣，并擴(kuò)大了巖漿海洋，導(dǎo)致來(lái)自原生地球和分化的撞擊器的物質(zhì)之間的全球混合。行星科學(xué)家假設(shè)，月球形成的撞擊會(huì)在撞擊器和原地球的不同化合物之間引發(fā)激烈的化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生早期生命。
作為結(jié)構(gòu)探測(cè)器的x射線自由電子激光器
因?yàn)閄射線自由電子激光器是波蕩磁鐵產(chǎn)生的X射線能量范圍內(nèi)最亮的人造光源。該團(tuán)隊(duì)整合了自放大自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的類似激光的超短脈沖結(jié)構(gòu)。
在這項(xiàng)工作中，Choi和他的同事們使用X射線自由電子激光來(lái)泵浦和探測(cè)預(yù)先壓縮的重金屬、揮發(fā)性水和二氧化碳的混合物，以模擬撞擊器的金屬核心和原地球中存在的揮發(fā)物之間的化學(xué)反應(yīng)。這些結(jié)果為巨大的撞擊驅(qū)動(dòng)的鐵氧化提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，導(dǎo)致了生命起源所需的早期進(jìn)化途徑。
模擬巨大撞擊引發(fā)的環(huán)境
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，科學(xué)家們使用了各種材料，并根據(jù)沉積的能量估計(jì)了單個(gè)X射線自由電子激光脈沖照射下鐵箔的溫度，以對(duì)應(yīng)于被照射樣品吸收的脈沖能量。通過(guò)激光沖擊壓縮，壓力持續(xù)皮秒的瞬間，能量密度增加。
雖然巨大撞擊和它的實(shí)驗(yàn)?zāi)M在時(shí)間尺度上的差異仍然存在，但是X射線泵浦能量覆蓋了大部分巨大撞擊驅(qū)動(dòng)的條件。

巨型撞擊后地球全球氧化還原反應(yīng)的一個(gè)建議方案。大撞擊前后早期地球大氣和地幔的演化示意圖。貸方:uux.cn/科學(xué)進(jìn)展，doi: 10.1126/sciadv.adi6096
Choi和他的團(tuán)隊(duì)還確定了X射線探針脈沖的壓力和溫度，并確定了對(duì)鐵-水系統(tǒng)的影響。當(dāng)研究小組在每串脈沖后的某個(gè)時(shí)間用額外的脈沖探測(cè)樣本時(shí)，產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生了額外的氫作為二次氧化產(chǎn)物。
此外，Choi和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)鐵-二氧化碳系統(tǒng)進(jìn)行了X射線自由電子激光，其中氧化亞鐵與二氧化碳進(jìn)一步反應(yīng)，通過(guò)連續(xù)脈沖形成菱鐵礦。
回收樣品的顯微鏡觀察
在用聚焦離子束和電子顯微鏡探測(cè)回收樣品的橫截面后，科學(xué)家們對(duì)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)途徑有了進(jìn)一步的了解。
為了了解硅酸鹽在巨大撞擊驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)中的作用，研究小組對(duì)鐵-水-硅酸鹽系統(tǒng)進(jìn)行了原位激光加熱實(shí)驗(yàn)。他們注意到硅酸鹽的存在如何不影響鐵的氧化或還原物質(zhì)的產(chǎn)生。雖然在月球形成撞擊之前，大量硅酸鹽地球上的水和二氧化碳的數(shù)量是非常有爭(zhēng)議的，但存在一種假設(shè)，即反應(yīng)物完全參與了巨大的撞擊引發(fā)的反應(yīng)。
觀點(diǎn)
通過(guò)這種方式，Jinhuyuk Choi和他的同事們提出了一個(gè)早期大氣和地幔的巨大撞擊驅(qū)動(dòng)氧化還原過(guò)程的方案。他們觀察到氧化鐵形成和鐵氫化的程度與鐵和水反應(yīng)產(chǎn)生的壓力成反比。在預(yù)壓縮鐵上進(jìn)行的X射線自由電子激光泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)，混合了揮發(fā)性物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了巖漿海洋中巨大的沖擊驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。
研究小組估計(jì)了氧化鐵種類和還原揮發(fā)物的數(shù)量。該團(tuán)隊(duì)在工作中支持忒伊亞假說(shuō)，該假說(shuō)描述了原生地球和一個(gè)名為忒伊亞的天體之間的碰撞。這些結(jié)果解釋了氧化地幔和還原大氣的時(shí)間和全球構(gòu)造，以促進(jìn)早期地球上生命的出現(xiàn)。