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一层“热”导电冰可能是产生天王星和海王星这样的冰巨行星磁场的原因

一层“热”导电冰可能是产生天王星和海王星这样的冰巨行星磁场的原因

一层“热”导电冰可能是产生天王星和海王星这样的冰巨行星磁场的原因

一层“热”导电冰可能是产生天王星和海王星这样的冰巨行星磁场的原因

(神秘的地球uux.cn报道)据cnBeta:外媒报道,一层“热”导电冰可能是产生天王星和海王星这样的冰巨行星的磁场的原因。来自卡内基大学和芝加哥大学高级辐射源中心的新研究工作揭示了这两个超离子冰的形成条件。他们的发现已经发表在了《Nature Physics》上。

众所周知,水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的--H20。当水存在的条件发生变化时,这些分子的组织和性质就会受到影响。在我们的日常生活中,当液态水被煮成蒸汽或冻结成冰时就可以看到这一点。

组成普通冰块的分子被氢原子和氧原子之间的氢键固定在一个晶格中。氢键具有高度的通用性。这意味着冰可以以惊人的多样性存在于不同的结构中--至少有18种已知的形式--它们在越来越极端的环境条件下出现。

而特别令人感兴趣的是所谓的超离子冰,它是在非常高的压力和温度下形成,其中传统的水分子键被移位,允许氢分子在氧晶格中自由漂浮。这种移动性使得冰的导电能力几乎跟金属材料一样好。

对实验室中产生的热超离子冰的观察导致了相互矛盾的结果,对新特性出现的确切条件也有很大的分歧。

“因此,我们的研究小组在芝加哥大学的Vitali Prakapenka的领导下着手使用多种光谱工具来绘制冰的结构和属性在高达150万倍正常大气压力和约11200华氏度的条件下的变化,”来自卡内基的Alexander Goncharov表示。

科学家们通过这样的方式确定下两种形式的超离子冰的出现,他们认为其中一种可能能在冰巨行星天王星和海王星的内部发现。

“为了在非常极端的条件下探测这种独特的物质状态的结构,由激光加热并压缩在两个钻石之间,我们使用了高级光子源的辉煌的高能同步辐射X射线束,它被聚焦到大约3微米,比一根人类头发小30倍,”Prakapenka解释称,“这些实验是如此具有挑战性,以至于我们必须在十年内进行几千次实验以获得足够的高质量数据来解决长期以来跟巨行星内部相关的条件下冰的高压、高温行为之谜。”

“模拟表明,这两颗行星的磁场是在相对较浅的深度发现的薄的流体层中产生的,”Goncharov补充道,“超离子冰的导电性将能完成这种类型的磁场生成,我们揭示的两种结构之一可能存在于这些磁场生成区的条件下。”

科学家们需要进一步研究以了解这些冰相在冰巨人内部条件下的导电性能和粘度。

相关报道:科学家发现奇怪的黑色"超离子冰"可能存在于其他行星的深处

(神秘的地球uux.cn报道)据cnBeta:利用高级光子源,科学家们重新创建了在海王星和天王星等行星中心形成的冰的结构。每个人都知道水的三态:冰、液体和水蒸气--但是,根据不同的条件,水实际上可以形成十几种不同的结构。科学家们现在在名单上增加了一个新的阶段:超离子冰。

这种类型的冰在极高的温度和压力下形成,例如在海王星和天王星等行星的深处。此前,超离子冰只在科学家发送冲击波穿过水滴的短暂瞬间被瞥见,但在《自然-物理学》上发表的一项新研究中,科学家发现了一种可靠地创造、维持和检查这种冰的方法。

研究报告的共同作者Vitali Prakapenka说:"这是一个惊喜--每个人都认为这个阶段不会出现,直到你处于比我们第一次发现它的地方高得多的压力,"他是芝加哥大学研究教授和高级光子源(APS)的光束线科学家,高级光子源是美国能源部(DOE)科学办公室在DOE阿贡国家实验室的用户设施。"但是我们能够非常准确地绘制这种新冰的属性,这构成了物质的一个新阶段,这要归功于几个强大的工具。"

即使人类已经窥探到了宇宙的开端--并深入到构成所有物质的最小粒子--我们仍然不了解地球深处到底潜藏着什么,更不用说我们太阳系中的兄弟行星。科学家们只在地球表面下挖了大约7.5英里,然后设备就因极端的热量和压力而开始融化。在这些条件下,岩石的行为更像塑料,甚至像水这样的基本分子的结构也开始转变。

由于我们无法实际到达这些地方,科学家必须转向实验室,以重现极端热和压力的条件。Prakapenka和他的同事使用APS,这是一个巨大的加速器,它将电子驱动到接近光速的极高速度,以产生辉煌的X射线束。他们将样品挤压在两块钻石--地球上最坚硬的物质之间,以模拟强大的压力,然后用激光射穿钻石以加热样品。最后,他们发送一束X射线穿过样品,并根据X射线在样品上的散射情况,拼凑出内部原子的排列。

当他们第一次进行实验时,Prakapenka看到结构的读数与他所期望的大不相同。他以为出了什么问题,出现了不必要的化学反应,在这种实验中水经常发生这种情况。"他说:"但是当我关闭激光,样品回到室温时,冰又回到了它的原始状态。"这意味着这是一个可逆的、结构性的变化,而不是一个化学反应。

观察冰的结构,研究小组意识到它有一个新的阶段在手。他们能够精确地绘制其结构和属性。

Prakapenka说:"想象一下一个立方体,一个在四角有氧原子的晶格,由氢气连接。当它转变为这种新的超离子相时,晶格会膨胀,允许氢原子四处迁移,而氧原子保持稳定的位置。这有点像一个固体氧晶格坐在漂浮的氢原子海洋中。"

这对冰的行为方式产生了影响。它的密度变小,但明显变暗,因为它与光的互动不同。但是超离子冰的全部化学和物理特性还有待探索。这是一种新的物质状态,所以它基本上是作为一种新的材料,而且它可能与我们想象的不同。

这些发现也是一个惊喜,因为虽然理论科学家已经预测了这个阶段,但大多数模型认为它不会出现,直到水被压缩到超过50千兆帕的压力(大约与火箭燃料引爆升空时的条件相同)。但是这些实验只是在20千兆帕的压力下进行的。

绘制不同阶段的冰的确切条件,对于了解行星的形成,甚至在哪里寻找其他行星上的生命,都是非常重要的。科学家们认为,海王星和天王星的内部也存在类似的条件,宇宙中其他地方也有类似的寒冷岩石行星。这些冰的特性在一个星球的磁场中起着作用,这对其承载生命的能力有巨大的影响。地球的强大磁场保护我们免受有害的入射辐射和宇宙射线的影响,而贫瘠的火星和水星的表面则暴露无遗。了解影响磁场形成的条件可以指导科学家在其他太阳系中寻找可能承载生命的恒星和行星。

还有许多角度需要探索,如导电性和粘度,化学稳定性,当水与盐或其他矿物混合时有什么变化,就像它在地球表面下的深处经常发生的那样。




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