新研究揭示天王星和海王星等这样冰巨星的形成条件

2021年10月19日 09:33 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,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。

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