天王星與海王星這兩顆太陽系邊緣的冰巨星,一直藏著一個困擾天文學(xué)家數(shù)十年的謎題:
它們的磁場完全不同于地球、木星的規(guī)整偶極場不僅嚴(yán)重偏離行星自轉(zhuǎn)軸,還呈現(xiàn)出復(fù)雜的多極結(jié)構(gòu)。
2026年3月16日發(fā)表在《自然·通訊》上的一項最新研究,從最基礎(chǔ)的物質(zhì)形態(tài)上,為這個謎題提出了全新的合理解釋:
在千萬倍地球大氣壓的極端行星內(nèi)部環(huán)境中,碳與氫這兩種宇宙中最常見的元素,會形成一種前所未見的準(zhǔn)一維超離子態(tài),其特殊的定向?qū)щ娞匦裕瑸樾行谴艌龅漠惓P螒B(tài)提供了全新的微觀機(jī)制。
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這項研究由卡內(nèi)基科學(xué)研究所劉聰團(tuán)隊聯(lián)合南京大學(xué)孫建教授團(tuán)隊共同完成。
團(tuán)隊結(jié)合第一性原理計算模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)原子間勢,還原了500到3000吉帕斯卡(相當(dāng)于500萬到3000萬倍地球大氣壓)、500到7000開爾文的極端環(huán)境,完整追蹤了碳?xì)潴w系在巨行星內(nèi)部條件下的結(jié)構(gòu)與行為變化。
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其中碳?xì)浔?:1的CH化合物,在1100吉帕斯卡以上的壓強(qiáng)下進(jìn)入熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài),1100吉帕斯卡以下僅能以亞穩(wěn)態(tài)存在。
過去學(xué)界普遍認(rèn)為,冰巨星內(nèi)部的甲烷在95吉帕斯卡以上的高壓中會徹底分解,最終形成金剛石與單質(zhì)氫。
但這項新研究卻發(fā)現(xiàn),當(dāng)壓強(qiáng)突破1100吉帕斯卡時,碳與氫并不會簡單分離,反而會形成穩(wěn)定的CH化合物。
這種化合物擁有極為特殊的手性螺旋晶體結(jié)構(gòu),存在左旋和右旋兩種鏡像形態(tài):
碳原子通過sp3共價鍵形成剛性的三維螺旋骨架,氫原子則在骨架的中空通道中,形成獨立的連續(xù)螺旋鏈,二者之間沒有顯著的化學(xué)鍵結(jié)合,就像兩組互相嵌套、卻互不干擾的螺旋樓梯。
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正是這種獨特的結(jié)構(gòu),催生了全新的準(zhǔn)一維超離子態(tài)。
我們熟知的超離子態(tài)是一種介于固體與液體之間的特殊物態(tài):
一種原子固定在晶體晶格中保持固態(tài),另一種原子則在晶格中自由三維擴(kuò)散,呈現(xiàn)出液體般的流動性。
而此次發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)一維超離子態(tài),完全打破了這種常規(guī)認(rèn)知,它是一種介于塑性晶體與常規(guī)超離子態(tài)之間的全新物態(tài)。
模擬結(jié)果顯示,在1000到3000開爾文的核心溫度區(qū)間內(nèi),CH化合物的碳骨架始終保持穩(wěn)定的固態(tài),氫原子卻呈現(xiàn)出前所未有的運(yùn)動模式:
它們在垂直于螺旋軸的xy平面內(nèi)做圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(塑性晶體特性),同時沿著螺旋軸的z方向高速長程擴(kuò)散(超離子態(tài)特性)。
通俗來說,氫原子就像在螺旋管道里,一邊繞著管道內(nèi)壁轉(zhuǎn)圈,一邊沿著管道飛速前進(jìn)。
它和傳統(tǒng)一維超離子態(tài)的核心區(qū)別在于,傳統(tǒng)一維超離子態(tài)僅能沿單一方向擴(kuò)散,橫向完全無法運(yùn)動,而這種新狀態(tài)里,氫原子既能轉(zhuǎn)圈又能直線擴(kuò)散,活動方式更靈活,因此被稱為準(zhǔn)一維超離子態(tài)。
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這種特殊的運(yùn)動模式,讓它擁有了極強(qiáng)的物理各向異性:
沿著螺旋軸方向的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率,遠(yuǎn)高于垂直方向,電流與熱量只會沿著螺旋通道定向傳輸,且整個物態(tài)中電子輸運(yùn)占絕對主導(dǎo),離子導(dǎo)電的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。
而傳統(tǒng)的行星發(fā)電機(jī)模型,一直默認(rèn)行星內(nèi)部的導(dǎo)電物質(zhì)是各向同性的,這種定向輸運(yùn)特性,恰好為冰巨星異常磁場的形成,提供了此前從未被考慮過的微觀變量。
研究團(tuán)隊繪制的溫壓相圖顯示,隨著溫度升高,CH化合物會依次經(jīng)歷固態(tài)、準(zhǔn)一維超離子態(tài)、三維超離子態(tài),最終變?yōu)榱黧w。
海王星內(nèi)部的溫壓條件,恰好落在三維超離子態(tài)的穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)。
而論文明確指出,天王星、海王星內(nèi)部的壓強(qiáng)無法達(dá)到準(zhǔn)一維超離子態(tài)的穩(wěn)定要求,只有質(zhì)量更大的亞海王星系外行星,內(nèi)部更高的壓強(qiáng)會讓準(zhǔn)一維超離子態(tài)成為主流物態(tài)。
此項發(fā)現(xiàn)意義非凡,它不僅填補(bǔ)了碳?xì)潴w系于極端高壓狀態(tài)下物態(tài)研究的空白,更為冰巨星異常磁場的探究提供了嶄新的理論導(dǎo)向,還刷新了我們對于超離子態(tài)認(rèn)知的邊界。
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