超離子冰跟太陽一樣熱！科學家已經在地球上造出

它是固態和液態的，比普通的水冰密度高60倍，溫度幾乎和太陽表面一樣熱。這是超離子冰——科學家們第一次在實驗室中製造。這種高壓水冰一直被認為存在於天王星和海王星的內部，但到目前為止，它的存在只是理論上。加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)的物理學家Marius Millot在實驗室發表的一份聲明中說：我們的研究為超離子冰提供了實驗證據，表明這些預測不是由於模擬中的人工產物，而是在這些條件下捕捉到了水的異常行為（Millot是一項描述這項工作的新研究的領導者）。

激光碟機動，高壓實驗的時間集成圖像，產生超離子冰。圖片：M. Millot/E. Kowaluk/J.Wickboldt/LLNL/LLE/NIF

科學家們首先預測了一種奇怪的水相存在，這種水相使這種物質在30年前同時具有固態和液態。它也比普通的水冰更密集，因為它只在極熱和壓力下形成，如在巨大行星內部發現的。在超離子階段，水分子中的氫和氧的行為異常;氫離子像液體一樣移動，在一個固態的氧晶格內。使冰變得複雜。首先研究小組將水壓縮成一種超強的立方晶冰，它的晶體形態與普通冰塊不同。為了做到這一點，研究人員使用了鑽石砧細胞，每平方英寸應用了36萬磅(約2.5億噸)的壓力;這大約是地球大氣壓力的25000倍。接下來研究人員使用激光碟機動的電擊，進一步加熱和壓縮細胞。每一個水晶冰結構接收到高達六束激光的超過100倍的高壓。

因為預先壓縮了水中的水，所以比用激波壓縮的環境液態水更少的電擊。這種新方法讓研究人員「在高壓下進入比以往的衝擊波壓縮研究更冷的狀態」。一旦超離子冰準備好了，團隊就迅速地分析其光學和熱力學性質。他們只有10到20納秒的時間來完成這項工作，在壓力波釋放壓力之前，水就溶解了。結果很奇怪。他們發現冰的融化速度達到了驚人的840華氏度(4725攝氏度)，每平方英寸(200 GPa)的壓力達到了2900萬磅。這種壓力大約是地球大氣壓力的200萬倍。加州大學伯克利分校的研究和行星物理學家Raymond Jeanloz在同一份聲明中說：在這些行星中，冰凍的水冰存在數千度，這是令人難以置信的，但這就是實驗的結果。

這項新發現可以讓我們窺見天王星和海王星等行星內部的情況。行星科學家認為，這些世界的內部結構由多達65%的水組成，加上一些氨和甲烷。此前的研究表明，這些行星將有「完全流體」的傳熱內飾，但超離子冰的加入改變了這一圖景。研究人員在聲明中說，這項新的研究提出了「一層相對較薄的流體和一層超離子冰的地幔」。這張迷你巨行星內部的圖片將證實十年前進行的計算機模擬，試圖解釋天王星和海王星的奇怪磁場。天王星的磁場與地球的軸線傾斜了59度。海王星的磁極有大約47度傾斜。這與地球僅有11度的傾斜相比是極端的。

計算機模擬顯示氫原子像液體一樣在超離子冰的固體晶格中流動。圖片：S. Hamel/M. Millot/J.Wickboldt/LLNL/NIF

它們的磁場也可能有不同的表現，例如天王星的能量場可以像頻閃儀一樣開啟和關閉。對這些行星的更詳細的研究將不得不等到宇宙飛船可用。幸運的是美國宇航局正在提議一個天王星和/或海王星航天器，在未來幾十年的某個時間將縮小到這些行星。與此同時，實驗者計划進一步壓縮他們的壓縮，以模擬更大的行星(如木星或土星)內部的情況。一項基於這項研究的研究發表在二月份的《自然物理》雜誌上。

博科園-科學科普｜文：Elizabeth Howell/Live Science

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