在海王星和天王星的深处，水与装满制冰盒的那种物质完全不同。在这些行星内部的巨大压力和温度下，水进入一种被称为超离子冰的奇异状态——在这一相中，氧原子锁定成刚性的固体晶格，而氢核则像液体一样在该晶格中漂移。由于这些可移动的氢核能够携带电荷，这种材料可以导电，这一特性可能与环绕这两颗冰巨星的奇特磁场有关。
研究人员早已知道这种炽热、导电的冰应该存在。他们不知道的是，它在行星条件下究竟采用哪种晶体结构。由于没有任何探测器能从海王星中挖出样本并带回地球，由法国替代能源与原子能委员会（CEA）的Alexis Forestier领导的一个团队做了次优选择：他们在实验室中重建了那些极端条件，并观察冰的行为。
在微型尺度上重现冰巨星内部
该团队的实验方法依赖于一种称为金刚石压砧的设备，它将微观样本困在两个超硬金刚石尖端之间，然后将它们挤压在一起。这种装置使研究人员能够产生地球表面任何自然环境中都不存在的压力。在本例中，科学家将冰样本加压至高达230吉帕斯卡——超过地球海平面大气压的两百多万倍。
仅有压力只是配方的一半。为了模拟行星内部灼热的高温，研究人员向被困住的冰发射激光，将其温度升高到1800开尔文以上。在那种挤压力量与极端高温的组合下，样本进入了超离子状态。
为了确定这个微小腔室内发生了什么，团队求助于欧洲同步辐射设施的X射线衍射。这项技术通过测量X射线如何从样本上散射来揭示原子的排列方式，实际上让科学家无需接触就能获得晶格的图像。发表在同行评审期刊《物理评论快报》上的结果显示了一些研究人员此前未能确定的东西。
一种具有双重性格的材料
超离子冰之所以非凡，是因为它同时表现得像两种物质状态。它的氧原子占据固定位置，形成保持不动的晶体骨架。与此同时，氢核——通常会被键合进水分子中的质子——变得可移动，像离子在液体电解质中移动那样穿过氧框架。
这种分工正是该相如此不寻常的原因。固态氧晶格赋予材料确定的结构和形状，而流动的氢则提供导电性。在行星内部，这样一层材料的行为可能与普通水冰截然不同，改变热量如何传递、物质如何随时间变形，以及电流如何循环。
然而直到现在，科学家对那个氧骨架的几何形状仍缺乏明确答案。不同的晶体排列——立方、六方及其他——意味着不同的物理性质，因此确定正确的那一种对于任何冰巨星内部模型都至关重要。
六方堆积在极端压力下占据主导
同步辐射测量为所测试的条件给出了明确答案。在约200吉帕斯卡和1800开尔文以上，氧原子进入六方密堆积排列，简称hcp。在那个压力-温度窗口内，这种六方形式成为超离子冰的主导相，取代了此前预期会占优势的面心立方（fcc）结构。
作者明确说明了这一发现的重要性，他们写道，他们报告了“对一种采用hcp氧亚晶格的新型H2O冰相的明确观测”。换句话说，这不是对现有图景的细微修正，而是在与真实行星相关的条件下鉴定出水氧原子的一种独特排列。
这一发现来自两次独立的实验运行，团队将他们的测量结果绘制到压力-温度图上，准确显示每个相出现的位置。这种边界图使其他研究人员能够预测在行星内部给定深度处哪种冰版本应该稳定。
为什么晶体结构可能对磁场很重要
这项工作的实际收益在于行星科学。海王星和天王星都被归类为冰巨星，并且都拥有远比地球复杂的磁场。它们的磁场并未与行星自转轴整齐对齐，而且与保护我们地球的整齐偶极场相比，它们周围的磁环境是混乱的。
一种主流解释涉及被认为存在超离子冰的深层内部区域。由于这种材料导电，其中移动的电流可以产生磁场。冰的精确晶体结构会影响电流流动的难易程度和方向，因此确定氧晶格是六方还是立方会改变这些模型的输入。
通过确定hcp冰在200吉帕斯卡和1800开尔文以上占主导，这个由CEA领导的团队为理论家们提供了更坚实的基础，用以模拟这些遥远世界的内部——并解释为什么它们的磁场会如此表现。
仍然悬而未决的问题
该实验捕捉的是压力-温度空间中的一个特定切片，是在远小于行星的样本中、在短暂的实验室时间尺度上产生的。要弥合与完整行星内部之间的差距需要建模，而该团队的压力-温度图最好被理解为这种建模的指南，而不是对海王星或天王星的完整描述。
尽管如此，这一结果使原本模糊的图景变得更加清晰。科学家现在有了直接证据，表明超离子水在冰巨星条件下偏好哪种晶体结构，并且他们为下一轮实验和模拟有了明确的目标。
关键要点
- 由法国CEA的Alexis Forestier领导的团队使用金刚石压砧在实验室中重现了冰巨星内部条件。
- 冰被加热到1800开尔文以上，并承受高达230吉帕斯卡的压力，超过地球大气压的两百多万倍。
- 欧洲同步辐射设施的X射线衍射显示氧原子形成六方密堆积晶格。
- 在约200吉帕斯卡和1800开尔文以上，这种六方相成为主导，取代了面心立方相。
- 发表在《物理评论快报》上的这些发现，可能有助于解释海王星和天王星不寻常的磁场及深层内部结构。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
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