奇怪、黑暗、炽热的冰可以解释天王星和海王星不稳定的磁场

如果你将自来水置于与地球中心相同的压力和温度下——没错，就是那种会压碎骨头、灼伤皮肤的温度——它就会变成一种既非液体又非固体的奇怪深色冰。科学家将这种物质称为超离子冰，其性质对大多数科学家来说仍然是个谜。

研究人员最近才能够在实验室中制造出超离子冰。现在，一组科学家已经将其特性分析出来。他们的研究结果可以解答天王星和海王星的一个磁性谜团：超离子冰可能是这些行星奇怪、不平衡的磁场的成因，这已经困扰科学家一段时间了。

研究人员于10月14日在《自然物理》杂志上发表了他们的研究成果。

大自然的冰调色板

当水在地球大气层中结冰时，其分子会自然地形成六边形；这就是为什么如果你生活在足够寒冷的气候中，你会看到六边形的雪花。但是，通过将水推入地球上通常不存在的极端条件下，可能会产生大量奇怪的冰相。这些冰具有奇特的形状，有些可以在室温下存在——或者实际上，温度要高得多。

科学家们热衷于给冰起一些有创意的名字，他们用罗马数字来标记冰的不同阶段。例如，你喝的冷饮里的冰是“冰 I”。如果在地球大气压的 10,000 倍下挤压这块冰，它可能会变成冰 VI，其分子会形成长方体。如果压力再大一些，它可能会变成冰 VII，其分子会变成立方体。

你还可以找到像冰 XI 这样的冰，它的电荷在电场中翻转，还有冰 XVI，它被囚禁在其他冰的“笼子”里。是的，如果你读过库尔特·冯内古特的《猫的摇篮》，你就会知道有“冰 IX”，尽管它完全无害。

从更大的角度来看，这种奇怪的冰可能并不那么奇怪。特别是冰 VII，人们认为它存在于海洋世界的外星海洋之下以及木星卫星木卫二的深处。在我们附近，科学家发现了冰 VII，它埋藏在地球地幔中形成的钻石中；那里的压力可能使这样的冰得以存在。

最新加入冰神殿的是超离子冰。在这里，液态水和固态冰之间的界限开始瓦解。水分子中的氧原子像在固体中一样排列整齐。但氢原子放弃电子，变成带电离子，并开始在冰中跳跃——就像在液体中一样。

这确实是一种奇怪的冰。首先，它的颜色是深色的。而且，与室温下的纯水不同，这些自由流动的质子使超离子冰成为极好的电导体。

用钻石和 X 射线制作冰

自 20 世纪 80 年代末以来，科学家们就已开始理论化超离子冰的预测。“从那时起，我们就在考虑做这种实验，”华盛顿卡内基科学研究所的物理学家、论文作者之一亚历山大·冈察洛夫 (Alexander Goncharov) 说。

但直到最近，科学家才能够在实验室中研究它。一些研究人员通过用高压冲击波轰击少量水，制造出了超离子冰。2018 年，他们测量了电导率；2019 年，他们精确定位了超离子冰的氧原子结构。他们将其命名为“冰 XVIII”。

但冲击波不会持续很长时间：整个实验仅持续几纳秒，研究人员之一、加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家塞巴斯蒂安哈梅尔 (Sebastien Hamel) 说道。

但与此同时，另一组研究人员正在用不同的方法制造超离子冰。他们不想在冲击波中寻找冰，而是想在更静态的环境中实际制造冰，以便对其进行研究。

“我们可以识别结构，”芝加哥大学物理学家、论文另一位作者维塔利·普拉卡彭卡 (Vitali Prakapenka) 表示。“我们可以测量光学特性。”

但到达那里是一个漫长而困难的过程，尤其是因为它涉及到地球中心令人难以置信的温度和压力：比太阳表面还热，是地球大气压的三百五十万倍。

为了做到这一点，科学家们将冰挤进一个 0.2 克拉钻石砧座中。由于钻石是地球上已知的最硬的材料，因此它们是将冰推向极高压力的好方法。然后，他们可以用激光轰击样品，将其加热到恒星般的温度。

为了真正研究冰层，科学家们带着铁砧和样品来到芝加哥郊区的阿贡国家实验室，使用同步加速器，这种机器可以产生非常明亮的 X 射线。当这些 X 射线穿过冰层时，它们会散射，科学家们可以测量它们以重建冰的性质。

让一切变得更加复杂的是，当 X 射线穿过钻石时，它们会发生折射。这很像透过水看东西时看起来扭曲的样子。他们需要纠正这一点。

“这非常具有挑战性，但我们正在努力，”普拉卡彭卡说道。

他们的实验持续了整微秒，而不是仅仅几纳秒，这让他们有更多时间进行测量。“他们能够更详细地探索这个系统……比我们能做的更多，”哈默尔说，他没有参与这篇论文。然而，他说，激光加热引起的温度梯度带来了很大的不确定性。

尽管如此，除了发现冰 XVIII 之外，研究人员还发现了第二种超离子冰，他们称之为“冰 XX”。 （冰 XIX 是一种非超离子相，恰好在这一切中被发现和命名。）此外，他们还能够测量超离子冰的结构和电导率。

与天王星的链接

研究人员制造超离子冰并非只是为了玩弄金刚石砧。正如冰 VII 可能存在于木卫二上一样，超离子冰也可能存在于太阳系的外围。

天王星和海王星在很多方面都很相似。它们的大小相近。它们都是“冰巨星”，大气层中充满了氢、氦和甲烷。

而且它们的磁场都非常非常奇怪。

地球的磁场大部分与行星的自转一致。我们星球的物理极点与我们的磁极相差不大。然而，这两个星球的磁场相当倾斜。此外，磁极错位，笨拙地切入行星的侧面，而不是标记出穿过其中心的一条线。

现在，冰科学家正在集中精力寻找一种解释：在巨型行星的气体层下深埋着一层超离子冰。由于超离子冰的导电特性，科学家认为它可以影响磁场。如果研究人员是正确的，那么一层巨大的超离子冰——比我们在地球上看到的任何东西都小——可能会使每颗行星的磁场偏离中心。

最终，任何猜测都必须依靠模拟和建模。“在行星科学中，我们玩的是一场大型侦探游戏，”哈默尔说。“我们不可能把行星切开来看看它是如何形成的。”

但普拉卡彭卡表示，他的团队的最新实验进一步证明，那里可以发现超离子冰。“我们估计那里应该有大量的冰，”他说，“而且在行星深处的条件下，温度和压力与我们发现超离子冰的地方完全相同。”