熾熱的黑冰可能是海王星狂野磁性的來源

在冰巨行星的核心內(nèi)部，壓力和溫度極其極端，以至于那里的水體進(jìn)入了地球自然條件下完全陌生的相位。

這種被稱為“超離子水”的水，是一種冰。然而，與普通冰不同，它實(shí)際上是熱的，而且是黑色的。

幾十年來，科學(xué)家們一直認(rèn)為海王星核心的超離子水和天王星是旅行者2號(hào)飛船經(jīng)過時(shí)所見到的狂野且未對(duì)齊磁場(chǎng)的制造者。

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一系列發(fā)表在自然傳播作者：萊昂·安德里安巴里亞奧納及其在SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室和索邦大學(xué)的合著者，提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，說明冰為何會(huì)產(chǎn)生這些奇異磁場(chǎng)——因?yàn)樗热魏稳祟A(yù)期的都要混亂得多。

在學(xué)校里，大多數(shù)學(xué)生會(huì)學(xué)習(xí)物質(zhì)的四種相：固體、液體、氣體和等離子體。但在極高的壓力和高溫下，水可以存在超離子相，雖然看起來像固體，實(shí)際上是一種晶格形式。這個(gè)晶格由氧原子構(gòu)成，而氫原子則自由流動(dòng)，帶電。

科學(xué)家們長期以來一直推測(cè)，超離子水中的氧原子晶格形成了一個(gè)“完美”晶體，原子要么位于立方體中心——這種配置稱為體心立方體（BCC）——要么原子位于立方體的正面（面心立方）。這兩者都提供了科學(xué)家期望在晶體結(jié)構(gòu)中看到的清晰且清晰的邊緣。

但那些漂亮的晶格與旅行者2號(hào)經(jīng)過我們冰巨星時(shí)看到的那種凹凸不平、混亂的磁場(chǎng)格格不入。因此，科學(xué)家們決定需要對(duì)這種獨(dú)特的水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以驗(yàn)證晶格理論是否正確。

為此，他們首先必須制造超離子水本身，這絕非易事。它只存在于極高溫度和高壓下，如果環(huán)境變量降低，它會(huì)立即恢復(fù)為其他更穩(wěn)定的水形式。

要達(dá)到這么高的壓力，需要一種叫做金剛石砧的專用工具?；蛘吒鼫?zhǔn)確地說，是兩個(gè)人。將水樣推入兩個(gè)由宇宙中最硬物質(zhì)制成的鐵砧之間，使實(shí)驗(yàn)者能夠?qū)毫μ嵘?80萬大氣壓。

隨后他們用脈沖激光照射樣品，將其加熱到約2500開爾文。此時(shí)，他們成功制造出了超離子水樣本。

但一旦降低壓力或溫度，晶體結(jié)構(gòu)就會(huì)瓦解。因此，在達(dá)到這些條件后幾萬億分之一秒內(nèi)，他們用X射線照射了樣本。

X射線衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)的常見方法。本質(zhì)上，這是一種高速拍攝原子位置照片的方法。但當(dāng)研究人員分析所得數(shù)據(jù)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)結(jié)果與理論并不完全吻合。

晶格本身看起來是模糊線條的混合體，結(jié)構(gòu)的不同層是FCC，有些實(shí)際上是完全不同的結(jié)構(gòu)，稱為六邊形密集堆積（HCP）。

當(dāng)作者首次在加利福尼亞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，這些混亂的數(shù)據(jù)令人困惑，促使他們將其歸結(jié)為某種環(huán)境錯(cuò)誤。這促使他們尋求德國另一家直線加速器的幫助，以消除潛在的噪聲源。

當(dāng)?shù)聡膶?shí)驗(yàn)結(jié)果依然如此時(shí)，他們意識(shí)到自己看到的是真實(shí)而混亂的真相，而非環(huán)境的產(chǎn)物。

隨著他們繼續(xù)實(shí)驗(yàn)不同的壓力和溫度，研究人員還發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增加，出現(xiàn)了一些重疊的晶格。這與晶格結(jié)構(gòu)在一個(gè)結(jié)構(gòu)與另一個(gè)結(jié)構(gòu)之間有一條非常清晰的過渡線的理論相矛盾。

歸根結(jié)底，這一切都表明超離子水是一種非常復(fù)雜的材料。這些復(fù)雜性有助于解釋海王星和天王星磁場(chǎng)異?？赡馨l(fā)生的事情。

需要明確的是，在這些物質(zhì)只存在幾飛秒的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并不完美還原冰巨行星內(nèi)部。也許隨著時(shí)間推移，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸形成更剛性的模式?；蛘邔?shí)驗(yàn)所見的混亂在冰巨人內(nèi)部以隨機(jī)方式持續(xù)存在。

雖然我們永遠(yuǎn)不會(huì)在地球上自然見到這種水，但它構(gòu)成了冰巨行星內(nèi)部，這意味著這種冰實(shí)際上可能是銀河系中最豐富的水種。

冰巨行星在已知系外行星中占有相當(dāng)比例，盡管這可能僅僅因?yàn)樗鼈兊捏w積和軌道，而這些都很容易通過現(xiàn)有系外行星的搜索方法辨認(rèn)出來，而非它們?cè)诂F(xiàn)有系外行星中的實(shí)際比例。

無論如何，知道水——地球上生命所需的物質(zhì)——在許多不同地方有如此多樣的多樣性，至少是一個(gè)有趣的科學(xué)事實(shí)。

本文最初發(fā)表于今日宇宙.請(qǐng)閱讀原文.

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