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如果你把自来水置于与地球中心相同的压力和温度下——是的,是那种能咬碎骨头、灼烧肉体的压力和温度下——它会变成一种奇怪的、黑色的冰,既不是液体也不是固体。科学家称这种物质为超音速冰,对大多数科学家来说,它的特性仍然有点神秘。

直到最近,研究人员才能够在实验室里制造出超音波冰。现在,一组科学家已经对它的特性进行了分析。他们的结果可能会回答天王星和海王星的磁场之谜:超级冰可能是这些行星奇怪的、不平衡的磁场的原因,这让科学家们困惑了一段时间。

研究人员发表了他们的工作10月14日发表在杂志上物理性质。

大自然的冰调色板

当水在地球的大气层中结冰时,它的分子自然地分成六边形;这就是为什么如果你生活在足够寒冷的气候中,你会看到六面雪花。但通过将水推向地球上通常不存在的极端条件,就有可能产生大量奇怪的冰相。这些冰有着奇特的形状,其中一些可以在室温下存在,甚至更热。

科学家们热衷于给冰起有创意的名字,他们用罗马数字给冰的不同阶段贴上标签。例如,你的冷饮中的冰是“冰i”,在地球大气压的10000倍下挤压冰,它可能会变成冰VI,其分子形成矩形棱镜。再加大压力,就会变成冰七世它的分子会变成立方体。

你也可以找到像冰XI这样的冰,它的电荷在电场中翻转,还有冰XVI,它被囚禁在其他冰的“笼子”里。是的,如果你读过库尔特·冯内古特的猫的摇篮,有一个“ice IX”,尽管它完全无害。

从更大的角度来看,这些奇怪的冰可能并不奇怪。特别是冰7号被认为是存在的海洋世界中的异域海洋在内心深处木星的卫星欧罗巴。离我们更近的是科学家已经找到了在地幔形成的钻石中埋藏的冰7;那里的压力可能会让这样的冰存在。

最新进入冰神殿的是超级冰。在这里,液态水和固态冰的边界开始瓦解。水分子中的氧原子排列整齐,就像它们在固体中一样。但是氢原子放弃了它们的电子,变成了带电的离子,开始在冰中跳跃,就像它们在液体中一样。

那确实是一种奇怪的冰。首先,它变成了深色。而且,与室温下的纯水不同,这些自由运动的质子使超光速冰成为了极好的导体。

用钻石和x射线制作冰

自20世纪80年代末以来,科学家们就对超音速冰进行了理论预测。“从那时起,我们就在考虑做这样的实验,”他说亚历山大Goncharov他是华盛顿卡内基科学研究所的物理学家,也是这篇论文的作者之一。

但直到最近,科学家们才能够在实验室中使用它。一些研究人员你做过超级冰吗基本上就是用高压冲击波炸一点点水。2018年,他们测量了电导率;2019年,他们确定了标记超音速冰的氧原子结构。他们把它命名为“冰十八”。

但冲击波不会持续很长时间:据介绍,整个实验只持续几纳秒Sebastien哈默尔他是加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的物理学家。

然而,与此同时,另一组研究人员正在用不同的方法制作他们自己的超音速冰。他们不是在冲击波中寻找冰,而是想在一个更静态的环境中创造冰,以便研究它。

“我们可以识别结构,”他说维塔利Prakapenka他是芝加哥大学(University of Chicago)的物理学家,也是这篇论文的另一位作者。“我们可以测量光学特性。”

但到达那里是一个冗长而困难的过程,尤其是因为它涉及到地球中心令人难以置信的温度和压力:比太阳表面还要热,是地球大气压力的350万倍。

为了做到这一点,科学家们将冰挤进一个0.2克拉的钻石砧中。因为钻石是地球上已知的最坚硬的物质,它们是将冰推向疯狂压力的好方法。然后,他们可以用激光将样本加热到类似恒星的温度。

为了真正深入研究冰,科学家们把他们的铁砧和样本带到芝加哥郊区的阿贡国家实验室,使用同步加速器,一种可以产生惊人明亮x射线的机器。当x射线穿过冰层时,它们会分散开来,科学家们可以通过测量它们来重建冰层的特性。

更复杂的是,当x射线穿过钻石时,会发生折射。这就像你透过水看物体时看到的扭曲的样子。他们需要纠正这一点。


普拉卡彭卡说:“这非常具有挑战性,但我们正在做。”

他们的实验持续了整微秒,而不是纳秒,这给了他们数量级的时间来进行测量。哈默尔没有参与这篇论文,他说:“他们已经能够对这个系统进行更广泛、更详细的探索……比我们所能做的还要多。”然而,他说,由激光加热引起的温度梯度引入了大量的不确定性。

尽管如此,除了发现了冰XVIII,研究人员还发现了第二种超音速冰,他们称之为“冰XX”。”(冰第十九是一个非超音波阶段,它碰巧是在整个过程中被发现并命名的)此外,他们还能够测量超音速冰的结构和电导率。

研究人员制作超音速冰不仅仅是为了玩钻石铁砧。就像在木卫二上可能发现冰VII一样,超音速冰也可能存在于太阳系的外围。

在许多方面,天王星和海王星非常相似。它们的大小很接近。它们都是“冰巨星”,大气中充满了氢、氦和甲烷。

它们的磁场都非常非常奇怪。

地球的磁场基本上与地球的自转方向一致。地球的物理极点离磁极并不太远。然而,这两颗行星的磁场相当倾斜.此外,磁极是不对齐的,笨拙地切进行星的侧面,而不是通过它们的中心划出一条线。

现在,研究冰的科学家们正在寻找一种解释:深埋在巨行星气体覆盖层下的超音速冰层。由于超音速冰的导电特性,科学家们认为它可以玩弄磁场。如果研究人员是正确的,那么我们在地球上看到的任何东西都可能被巨大的超音速冰层所遮蔽,这可能会使每颗行星的磁场偏离中心。

最终,任何猜测都必须依靠模拟和建模。“在行星科学中,我们有一个大侦探游戏,”哈默尔说。“我们不可能切开地球,看看它是如何形成的。”

但普拉卡彭卡说,他的团队的最新实验进一步证明,在那里可以找到超音速冰。“我们估计那里应该有大量的冰,”他说,“在行星深处的条件下,温度和压力与我们发现超音速冰的地方完全相同。”

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