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部，壓力和溫度極其極端，以至于那里的水體進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，它實際上是熱的，而且是黑色的。

幾十年來，科學家們一直認為海王星核心的超離子水和天王星是旅行者2號飛船經過時所見到的狂野且未對齊磁場的制造者。

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一系列發表在自然傳播作者：萊昂·安德里安巴里亞奧納及其在SLAC國家加速器實驗室和索邦大學的合著者，提供了實驗證據，說明冰為何會產生這些奇異磁場——因為它比任何人預期的都要混亂得多。

在學校里，大多數學生會學習物質的四種相：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，實際上是一種晶格形式。這個晶格由氧原子構成，而氫原子則自由流動，帶電。

科學家們長期以來一直推測，超離子水中的氧原子晶格形成了一個“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家期望在晶體結構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號經過我們冰巨星時看到的那種凹凸不平、混亂的磁場格格不入。因此，科學家們決定需要對這種獨特的水進行實驗測試，以驗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，如果環境變量降低，它會立即恢復為其他更穩定的水形式。

要達到這么高的壓力，需要一種叫做金剛石砧的專用工具。或者更準確地說，是兩個人。將水樣推入兩個由宇宙中最硬物質制成的鐵砧之間，使實驗者能夠將壓力提升到180萬大氣壓。

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，他們成功制造出了超離子水樣本。

但一旦降低壓力或溫度，晶體結構就會瓦解。因此，在達到這些條件后幾萬億分之一秒內，他們用X射線照射了樣本。

X射線衍射是研究晶體結構的常見方法。本質上，這是一種高速拍攝原子位置照片的方法。但當研究人員分析所得數據時，他們發現結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，結構的不同層是FCC，有些實際上是完全不同的結構，稱為六邊形密集堆積（HCP）。

當作者首次在加利福尼亞進行實驗時，這些混亂的數據令人困惑，促使他們將其歸結為某種環境錯誤。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。

當德國的實驗結果依然如此時，他們意識到自己看到的是真實而混亂的真相，而非環境的產物。

隨著他們繼續實驗不同的壓力和溫度，研究人員還發現隨著壓力的增加，出現了一些重疊的晶格。這與晶格結構在一個結構與另一個結構之間有一條非常清晰的過渡線的理論相矛盾。

歸根結底，這一切都表明超離子水是一種非常復雜的材料。這些復雜性有助于解釋海王星和天王星磁場異常可能發生的事情。

需要明確的是，在這些物質只存在幾飛秒的情況下進行實驗，并不完美還原冰巨行星內部。也許隨著時間推移，晶體結構會逐漸形成更剛性的模式。或者實驗所見的混亂在冰巨人內部以隨機方式持續存在。

雖然我們永遠不會在地球上自然見到這種水，但它構成了冰巨行星內部，這意味著這種冰實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比例，盡管這可能僅僅因為它們的體積和軌道，而這些都很容易通過現有系外行星的搜索方法辨認出來，而非它們在現有系外行星中的實際比例。

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

本文最初發表于今日宇宙.請閱讀原文.

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