陜西
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)整偶極場不僅嚴重偏離行星自轉軸，還呈現(xiàn)出復雜的多極結構。
2026年3月16日發(fā)表在《自然·通訊》上的一項最新研究，從最基礎的物質形態(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一維超離子態(tài)，其特殊的定向導電特性，為行星磁場的異常形態(tài)提供了全新的微觀機制。
這項研究由卡內基科學研究所劉聰團隊聯(lián)合南京大學孫建教授團隊共同完成。
團隊結合第一性原理計算模擬與機器學習原子間勢，還原了500到3000吉帕斯卡（相當于500萬到3000萬倍地球大氣壓）、500到7000開爾文的極端環(huán)境，完整追蹤了碳氫體系在巨行星內部條件下的結構與行為變化。
其中碳氫比1:1的CH化合物，在1100吉帕斯卡以上的壓強下進入熱力學穩(wěn)定狀態(tài)，1100吉帕斯卡以下僅能以亞穩(wěn)態(tài)存在。
過去學界普遍認為，冰巨星內部的甲烷在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氫。
但這項新研究卻發(fā)現(xiàn)，當壓強突破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構，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鍵結合，就像兩組互相嵌套、卻互不干擾的螺旋樓梯。
正是這種獨特的結構，催生了全新的準一維超離子態(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散，呈現(xiàn)出液體般的流動性。
而此次發(fā)現(xiàn)的準一維超離子態(tài)，完全打破了這種常規(guī)認知，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)。
模擬結果顯示，在1000到3000開爾文的核心溫度區(qū)間內，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)出前所未有的運動模式：
它們在垂直于螺旋軸的xy平面內做圓周旋轉運動（塑性晶體特性），同時沿著螺旋軸的z方向高速長程擴散（超離子態(tài)特性）。
通俗來說，氫原子就像在螺旋管道里，一邊繞著管道內壁轉圈，一邊沿著管道飛速前進。
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)僅能沿單一方向擴散，橫向完全無法運動，而這種新狀態(tài)里，氫原子既能轉圈又能直線擴散，活動方式更靈活，因此被稱為準一維超離子態(tài)。
這種特殊的運動模式，讓它擁有了極強的物理各向異性：
沿著螺旋軸方向的電導率、熱導率，遠高于垂直方向，電流與熱量只會沿著螺旋通道定向傳輸，且整個物態(tài)中電子輸運占絕對主導，離子導電的貢獻幾乎可以忽略。
而傳統(tǒng)的行星發(fā)電機模型，一直默認行星內部的導電物質是各向同性的，這種定向輸運特性，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。
研究團隊繪制的溫壓相圖顯示，隨著溫度升高，CH化合物會依次經歷固態(tài)、準一維超離子態(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。
而論文明確指出，天王星、海王星內部的壓強無法達到準一維超離子態(tài)的穩(wěn)定要求，只有質量更大的亞海王星系外行星，內部更高的壓強會讓準一維超離子態(tài)成為主流物態(tài)。
此項發(fā)現(xiàn)意義非凡，它不僅填補了碳氫體系于極端高壓狀態(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向，還刷新了我們對于超離子態(tài)認知的邊界。
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