行星内部持续带来更奇异的物理现象
天王星和海王星常被称为冰巨星，但这个说法可能会误导人。在这两颗行星的深处，关于冰、液体和气体的常识已经不再有太大用处。那里压力巨大，温度高达数千摄氏度，熟悉的分子无法以可辨认的形式存在。在这种条件下，物质会以日常经验难以想象的方式组织起来。
Universe Today 重点介绍的一项新研究又为这份名单增添了一个候选者：一种由碳和氢构成的“准一维超离子”相。这项由卡内基科学研究院研究人员发表在Nature Communications上的工作表明，在足够高的压力和温度下，碳和氢可以结合成一种结构特殊、稳定的化合物，可能存在于天王星和海王星这样的冰巨星内部。
如果这一结果站得住脚，它将为不断扩展的奇异行星材料库增添一种新的物质状态，并可能改变科学家对这些遥远世界内部结构和演化的理解。
这种材料会如何表现
这项研究从行星科学中的一个已知问题出发。预计甲烷及类似分子不会在冰巨星内部那样强烈的挤压条件下保持完整。此前研究曾提出，甲烷在约95吉帕时会分解，生成富氢材料以及类似钻石的碳同素异形体。
新研究把条件推进到远高于该范围。根据原文，在1100吉帕以上的压力下，碳和氢会形成一种稳定化合物，其中碳原子锁定在一个刚性的晶格中，这个晶格呈手性螺旋形状。仅这一点就已经不同寻常。但更有趣的行为出现在温度加入之后。
在1000到3000开尔文之间，这种化合物据称会进入超离子态。在超离子物质中，结构的一部分仍然保持固体，而另一部分则变得可移动，表现得有点像固体框架中的液体。这里则是这一概念的一个变体：一种准一维形式，其中可移动行为受到底层结构的强烈约束。
这就是“准一维”名称的由来。它不是在三维固体框架中进行常规的类流体运动，而是更受限地沿着特定通道传输。
为什么研究人员依赖模拟
这些结果来自模拟，而不是直接的实验室观测，这很有道理。要在地球上重现相关条件极其困难。天王星和海王星内部的压力可达太帕量级，这对实验设备和封装策略都是巨大挑战。
文章指出，研究人员常使用名为“Synthetic Uranus”的计算模型来近似这些行星内部环境。但新论文采用的是第一性原理方法，让体系的量子力学更直接地决定其行为，而不是更多依赖简化假设。
这并不意味着结果已经板上钉钉，但确实使其值得注意。第一性原理模拟往往是新候选相出现的地方，之后再由实验人员寻找验证方法。在行星科学中，这样的顺序很常见，因为感兴趣的条件可能极端到必须先由理论和计算推进。
为什么这对天王星和海王星很重要
了解冰巨星内部有什么并不是冷门好奇心。天王星和海王星的内部结构会影响它们的热流、磁场行为、密度剖面以及演化历史。奇异材料会影响能量在行星内部如何传输，以及不同层之间如何随时间相互作用。
如果一种准一维超离子碳氢相真的存在于那里，它可能会成为解释这些世界某些异常物理行为的一部分。原文并未声称已经建立完整的行星模型，但它确实暗示这种材料有可能存在于这些行星内部的极端环境中。
这项研究对太阳系之外也有意义。冰巨星类行星在系外行星调查中很常见，而对极端高压化学的更好模型，可以帮助科学家更准确地解释它们的组成和形成。极端压力下的材料科学，正越来越成为比较行星学的一部分。
行星知识仍然多么不完整的提醒
这里更深的启示在于，行星不断让研究人员惊讶，不只是因为它们在哪里被发现，更因为物质在它们内部能做什么。每当模拟或实验把我们推进到更极端的高压区间，新的有序与流动组合就会出现。“固体”和“液体”不再是清晰的类别。化学开始与行星动力学纠缠在一起。
这项研究并不能证明天王星和海王星确实含有所提出的相态。但它提供了一个具体且物理上合理的可能性，并且建立在同行评审的建模工作之上。这足以推动讨论向前发展。未来的工作需要进一步测试该相态的稳定性，并在可能的情况下寻找可验证这一预测的实验特征。
目前最引人注目的结论很简单：冰巨星内部可能存在地球上没有普通对应物的物质形式。科学家越深入探查这些世界，它们看起来就越不寻常。
要点
- 一项新的模拟研究提出，在极端压力和高温下，碳氢化合物可能形成准一维超离子相。
- 这种材料可能存在于天王星和海王星深处。
- 这一发现可能重塑对冰巨星内部以及类似系外行星组成的模型。
本文基于 Universe Today 的报道。阅读原文。
Originally published on universetoday.com
