在金剛石砧座中對預壓樣品進行XFEL泵浦-探測實驗的示意圖。(A)XFEL泵和探針實驗的科學幾何學。(DAC內4微米厚的家模巨鐵箔照片，周圍有揮發性流體:H2O(上)和二氧化碳(下)。擬早(C)在Fe + H2O(左)和Fe + CO2(右)系統中XFEL誘導反應下的期地球大氣演XRD圖像和圖案。貸方:uux.cn/科學進展，化過doi: 10.1126/sciadv.adi6096
（神秘的程中地球uux.cn）據美國物理學家組織網（塔瑪拉西·吉萬達拉）：大氣和巖漿海洋中由巨大撞擊驅動的氧化還原過程可能在地球演化過程中發揮了至關重要的作用。然而，撞擊造成缺少那個時代的氧化巖石記錄使得理解這些過程變得很困難。
在科學進展發表的行星一份報告中，Jinhuyuk Choi和一個由首爾、科學德國和韓國的家模巨行星科學家組成的研究小組提交了實驗結果，這些結果可以使用X射線自由電子激光模擬鐵和揮發物之間的擬早巨大碰撞驅動反應。
科學家們使用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物還原為氫氣和一氧化碳。化過鐵氧化形成氫化物和菱鐵礦，暗示著氧化還原邊界。這些發現揭示了創造還原大氣的過程，這是早期地球上出現前生物有機分子的基礎。
地球的演化和生命的起源
導致45億年前月球形成的早期巨大撞擊是地球演化的災難性決定因素。由于這種巨大的撞擊效應，在蒸汽大氣和巖漿海洋中發生的全球化學混合和氧化還原過程導致了在還原大氣中的放氣和過渡形成；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程的可能場景，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，地球的地幔被氧化到今天的水平，含有水、二氧化碳和氮。為了進行再現早期地球條件的數值模擬，研究人員需要開發適當的實驗方法來驗證巨大的撞擊引發的反應。
XFEL泵脈沖的能量分布以及壓力和溫度的時間演化。(A)將MFI誘發的能量(即不同模型中撞擊的比能與Carter等人(25)采用的proto-Earth的相應內部能量增益)與本研究中使用的XFEL泵輸送的峰值能量進行比較。由藍色矩形包圍的區域表示本研究中使用的XFEL泵所達到的條件。(B)XFEL泵產生的鐵的溫度演變示意圖，修改自丈夫等人(39)。圖表頂部的數字表示(I)皮秒內發生的等容加熱，(ii)電子-離子平衡，其中電子的激發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頻率為30赫茲的XFEL泵產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。半峰半寬。貸方:uux.cn/科學進展，doi: 10.1126/sciadv.adi6096
月球形成的影響可能已經蒸發了大量的硅酸鹽地球，形成了蒸汽大氣，并擴大了巖漿海洋，導致來自原生地球和分化的撞擊器的物質之間的全球混合。行星科學家假設，月球形成的撞擊會在撞擊器和原地球的不同化合物之間引發激烈的化學反應，從而產生早期生命。
作為結構探測器的x射線自由電子激光器
因為X射線自由電子激光器是波蕩磁鐵產生的X射線能量范圍內最亮的人造光源。該團隊整合了自放大自發發射產生的類似激光的超短脈沖結構。
在這項工作中，Choi和他的同事們使用X射線自由電子激光來泵浦和探測預先壓縮的重金屬、揮發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物之間的化學反應。這些結果為巨大的撞擊驅動的鐵氧化提供了實驗證據，導致了生命起源所需的早期進化途徑。
模擬巨大撞擊引發的環境
在實驗過程中，科學家們使用了各種材料，并根據沉積的能量估計了單個X射線自由電子激光脈沖照射下鐵箔的溫度，以對應于被照射樣品吸收的脈沖能量。通過激光沖擊壓縮，壓力持續皮秒的瞬間，能量密度增加。
雖然巨大撞擊和它的實驗模擬在時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動的條件。
巨型撞擊后地球全球氧化還原反應的一個建議方案。大撞擊前后早期地球大氣和地幔的演化示意圖。貸方:uux.cn/科學進展，doi: 10.1126/sciadv.adi6096
Choi和他的團隊還確定了X射線探針脈沖的壓力和溫度，并確定了對鐵-水系統的影響。當研究小組在每串脈沖后的某個時間用額外的脈沖探測樣本時，產生的反應產生了額外的氫作為二次氧化產物。
此外，Choi和他的團隊對鐵-二氧化碳系統進行了X射線自由電子激光，其中氧化亞鐵與二氧化碳進一步反應，通過連續脈沖形成菱鐵礦。
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回收樣品的橫截面后，科學家們對實驗的反應途徑有了進一步的了解。
為了了解硅酸鹽在巨大撞擊驅動的反應中的作用，研究小組對鐵-水-硅酸鹽系統進行了原位激光加熱實驗。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的產生。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量是非常有爭議的，但存在一種假設，即反應物完全參與了巨大的撞擊引發的反應。
觀點
通過這種方式，Jinhuyuk Choi和他的同事們提出了一個早期大氣和地幔的巨大撞擊驅動氧化還原過程的方案。他們觀察到氧化鐵形成和鐵氫化的程度與鐵和水反應產生的壓力成反比。在預壓縮鐵上進行的X射線自由電子激光泵浦-探測實驗，混合了揮發性物質，實驗模擬了巖漿海洋中巨大的沖擊驅動反應。
研究小組估計了氧化鐵種類和還原揮發物的數量。該團隊在工作中支持忒伊亞假說，該假說描述了原生地球和一個名為忒伊亞的天體之間的碰撞。這些結果解釋了氧化地幔和還原大氣的時間和全球構造，以促進早期地球上生命的出現。