炽热的黑冰可能是海王星狂野磁性的来源

在冰巨行星的核心内部，压力和温度极其极端，以至于那里的水体进入了地球自然条件下完全陌生的相位。

这种被称为“超离子水”的水，是一种冰。然而，与普通冰不同，它实际上是热的，而且是黑色的。

几十年来，科学家们一直认为海王星核心的超离子水和天王星是旅行者2号飞船经过时所见到的狂野且未对齐磁场的制造者。

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一系列发表在自然传播作者：莱昂·安德里安巴里亚奥纳及其在SLAC国家加速器实验室和索邦大学的合著者，提供了实验证据，说明冰为何会产生这些奇异磁场——因为它比任何人预期的都要混乱得多。

在学校里，大多数学生会学习物质的四种相：固体、液体、气体和等离子体。但在极高的压力和高温下，水可以存在超离子相，虽然看起来像固体，实际上是一种晶格形式。这个晶格由氧原子构成，而氢原子则自由流动，带电。

科学家们长期以来一直推测，超离子水中的氧原子晶格形成了一个“完美”晶体，原子要么位于立方体中心——这种配置称为体心立方体（BCC）——要么原子位于立方体的正面（面心立方）。这两者都提供了科学家期望在晶体结构中看到的清晰且清晰的边缘。

但那些漂亮的晶格与旅行者2号经过我们冰巨星时看到的那种凹凸不平、混乱的磁场格格不入。因此，科学家们决定需要对这种独特的水进行实验测试，以验证晶格理论是否正确。

为此，他们首先必须制造超离子水本身，这绝非易事。它只存在于极高温度和高压下，如果环境变量降低，它会立即恢复为其他更稳定的水形式。

要达到这么高的压力，需要一种叫做金刚石砧的专用工具。或者更准确地说，是两个人。将水样推入两个由宇宙中最硬物质制成的铁砧之间，使实验者能够将压力提升到180万大气压。

随后他们用脉冲激光照射样品，将其加热到约2500开尔文。此时，他们成功制造出了超离子水样本。

但一旦降低压力或温度，晶体结构就会瓦解。因此，在达到这些条件后几万亿分之一秒内，他们用X射线照射了样本。

X射线衍射是研究晶体结构的常见方法。本质上，这是一种高速拍摄原子位置照片的方法。但当研究人员分析所得数据时，他们发现结果与理论并不完全吻合。

晶格本身看起来是模糊线条的混合体，结构的不同层是FCC，有些实际上是完全不同的结构，称为六边形密集堆积（HCP）。

当作者首次在加利福尼亚进行实验时，这些混乱的数据令人困惑，促使他们将其归结为某种环境错误。这促使他们寻求德国另一家直线加速器的帮助，以消除潜在的噪声源。

当德国的实验结果依然如此时，他们意识到自己看到的是真实而混乱的真相，而非环境的产物。

随着他们继续实验不同的压力和温度，研究人员还发现随着压力的增加，出现了一些重叠的晶格。这与晶格结构在一个结构与另一个结构之间有一条非常清晰的过渡线的理论相矛盾。

归根结底，这一切都表明超离子水是一种非常复杂的材料。这些复杂性有助于解释海王星和天王星磁场异常可能发生的事情。

需要明确的是，在这些物质只存在几飞秒的情况下进行实验，并不完美还原冰巨行星内部。也许随着时间推移，晶体结构会逐渐形成更刚性的模式。或者实验所见的混乱在冰巨人内部以随机方式持续存在。

虽然我们永远不会在地球上自然见到这种水，但它构成了冰巨行星内部，这意味着这种冰实际上可能是银河系中最丰富的水种。

冰巨行星在已知系外行星中占有相当比例，尽管这可能仅仅因为它们的体积和轨道，而这些都很容易通过现有系外行星的搜索方法辨认出来，而非它们在现有系外行星中的实际比例。

无论如何，知道水——地球上生命所需的物质——在许多不同地方有如此多样的多样性，至少是一个有趣的科学事实。

本文最初发表于今日宇宙.请阅读原文.

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