科学家发现天王星海王星内有奇异新物态

天王星和海王星内部一种新预测到的物质状态可能会改变科学家对行星内部的理解。图片来源：Shutterstock

在太阳系遥远的冰巨星内部，熟悉的元素可能会以陌生的方式表现。

根据卡内基科学研究所科学家刘聪和罗纳德科恩的新计算研究，天王星和海王星等冰巨星的深层内部可能含有一种此前未知的物质形态。

他们发表在《自然通讯》上的研究表明，碳氢化合物在遥远行星表面之下深处的极端压力和温度条件下，能够形成准一维超离子态。

目前已发现超过6000颗系外行星，且这一数量仍在持续增长。为了更好地了解这些星球，天文学、行星科学和地球科学领域的研究人员正日益加强合作。通过结合观测、实验和理论模型，他们旨在揭示塑造行星的过程，包括磁场的形成方式。

这种日益增长的努力也提高了人们对太阳系行星和卫星内部深处发生的事情的兴趣。研究这些隐藏区域可以增进我们对行星行为的理解，甚至可能为地球以外的宜居性提供线索。

预测的六方碳氢化合物在类海王星内部条件下的示意图。在该结构中，碳构成外侧螺旋链（黄色），氢构成内侧螺旋链（蓝色），这与第一性原理模拟中发现的准一维超离子行为一致。图片来源：刘聪

热冰之谜

天王星和海王星的数据显示，它们的内部可能含有不寻常的热冰层。这些层位于外部的氢和氦大气与内部的岩石核心之间。科学家认为它们由水（H₂O）、甲烷（CH₄）和氨（NH₄）组成，但在如此极端的条件下，这些物质可能呈现出不熟悉的形态。

在极高的压力和温度下，物质会表现出意想不到的行为。这就是为什么科学家们同时使用实验和理论模型来探索这些行星内部可能存在的东西。

为了研究这一问题，刘和科恩利用先进的计算技术和机器学习对碳氢化物（CH）进行了量子级模拟。他们研究的条件范围包括约500万到3000万倍地球大气压（500至3000吉帕）以及6740至10340华氏度（4000至6000开尔文）（约12000至18600华氏度）。

他们的研究结果表明形成了一种结构化的六边形晶格，其中氢原子沿螺旋状路径运动。这种运动产生了准一维超离子态。

超离子材料介于固体和液体之间。在这些体系中，一组原子固定在晶体结构中，而另一组原子则在其中自由移动。

这种新预测的碳氢相特别引人注目，因为其原子运动并非完全三维的，科恩解释道。相反，氢原子优先沿着嵌入有序碳结构中的清晰螺旋路径移动。

对行星科学的意义

这种材料中氢的定向移动可能会影响行星内部热量和电流的流动方式。这反过来可能会影响能量的分布、这些区域的导电性能，以及科学家对冰巨星磁场的解读方式。

这项研究还表明，即使是简单的化学系统在极端条件下也能形成复杂结构，这拓展了研究人员对高压高温下物质的认知。

碳和氢是行星物质中含量最丰富的元素之一，但它们在巨行星条件下的共同行为仍远未被完全理解，刘总结道。

除了行星科学之外，发现具有强定向特性的材料在材料科学与工程领域也可能有用，在这些领域中，这种特性可能会催生新技术。

参考文献：刘聪、RE科恩和孙健《巨行星条件下碳氢化物中热驱动准一维超离子态的预测》，近期发表于《自然通讯》，DOI：10.1038s4146702670603z

相关知识

天王星是太阳系八大行星之一，属于气态巨行星，体积居太阳系第三、质量第四。它最显著的特征是自转轴倾斜约98度，几乎躺着绕太阳公转。1781年由英国天文学家威廉赫歇尔发现，是太阳系中唯一通过望远镜首次观测到的行星。其大气主要由氢、氦组成，甲烷使其呈现蓝绿色外观。

天王星最显著的特征是其极度倾斜的自转轴，倾角接近98度，这使得它几乎是躺着围绕太阳公转。这种特殊的姿态导致它的季节变化异于其他行星，每个季节持续约21年——因为它的公转周期约为84地球年，两极地区会交替经历长达数十年的极昼或极夜。

天王星的内部结构主要由岩石核心、液态冰幔和气态大气层构成。其大气中富含甲烷，这是它呈现蓝绿色外观的原因；冰幔则包含水、氨和甲烷等冻结状态的物质，占据了行星体积的大部分。它拥有微弱的行星环和数十颗卫星，其中较大的卫星如泰坦尼亚、奥伯龙等，均以莎士比亚或蒲柏作品中的角色命名。

BY: Carnegie Institution for Science

FY: AI