超离子冰跟太阳一样热!科学家已经在地球上造出

它是固态和液态的,比普通的水冰密度高60倍,温度几乎和太阳表面一样热。这是超离子冰——科学家们第一次在实验室中制造。这种高压水冰一直被认为存在于天王星和海王星的内部,但到目前为止,它的存在只是理论上。加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的物理学家Marius Millot在实验室发表的一份声明中说:我们的研究为超离子冰提供了实验证据,表明这些预测不是由于模拟中的人工产物,而是在这些条件下捕捉到了水的异常行为(Millot是一项描述这项工作的新研究的领导者)。

激光驱动,高压实验的时间集成图像,产生超离子冰。图片:M. Millot/E. Kowaluk/J.Wickboldt/LLNL/LLE/NIF

科学家们首先预测了一种奇怪的水相存在,这种水相使这种物质在30年前同时具有固态和液态。它也比普通的水冰更密集,因为它只在极热和压力下形成,如在巨大行星内部发现的。在超离子阶段,水分子中的氢和氧的行为异常;氢离子像液体一样移动,在一个固态的氧晶格内。使冰变得复杂。首先研究小组将水压缩成一种超强的立方晶冰,它的晶体形态与普通冰块不同。为了做到这一点,研究人员使用了钻石砧细胞,每平方英寸应用了36万磅(约2.5亿吨)的压力;这大约是地球大气压力的25000倍。接下来研究人员使用激光驱动的电击,进一步加热和压缩细胞。每一个水晶冰结构接收到高达六束激光的超过100倍的高压。

因为预先压缩了水中的水,所以比用激波压缩的环境液态水更少的电击。这种新方法让研究人员“在高压下进入比以往的冲击波压缩研究更冷的状态”。一旦超离子冰准备好了,团队就迅速地分析其光学和热力学性质。他们只有10到20纳秒的时间来完成这项工作,在压力波释放压力之前,水就溶解了。结果很奇怪。他们发现冰的融化速度达到了惊人的840华氏度(4725摄氏度),每平方英寸(200 GPa)的压力达到了2900万磅。这种压力大约是地球大气压力的200万倍。加州大学伯克利分校的研究和行星物理学家Raymond Jeanloz在同一份声明中说:在这些行星中,冰冻的水冰存在数千度,这是令人难以置信的,但这就是实验的结果。

这项新发现可以让我们窥见天王星和海王星等行星内部的情况。行星科学家认为,这些世界的内部结构由多达65%的水组成,加上一些氨和甲烷。此前的研究表明,这些行星将有“完全流体”的传热内饰,但超离子冰的加入改变了这一图景。研究人员在声明中说,这项新的研究提出了“一层相对较薄的流体和一层超离子冰的地幔”。这张迷你巨行星内部的图片将证实十年前进行的计算机模拟,试图解释天王星和海王星的奇怪磁场。天王星的磁场与地球的轴线倾斜了59度。海王星的磁极有大约47度倾斜。这与地球仅有11度的倾斜相比是极端的。

计算机模拟显示氢原子像液体一样在超离子冰的固体晶格中流动。图片:S. Hamel/M. Millot/J.Wickboldt/LLNL/NIF

它们的磁场也可能有不同的表现,例如天王星的能量场可以像频闪仪一样开启和关闭。对这些行星的更详细的研究将不得不等到宇宙飞船可用。幸运的是美国宇航局正在提议一个天王星和/或海王星航天器,在未来几十年的某个时间将缩小到这些行星。与此同时,实验者计划进一步压缩他们的压缩,以模拟更大的行星(如木星或土星)内部的情况。一项基于这项研究的研究发表在二月份的《自然物理》杂志上。

博科园-科学科普|文:Elizabeth Howell/Live Science