固态、液态、超离子态……宇宙天体的“内心”

来源:科技日报

地球是目前人类在宇宙中的唯一家园，我们对它足够了解吗?未必。我国科学家最新的研究成果表明，地球内核并非传统认知的固态，而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。

日前，中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压重点实验室研究员李和平、何宇与中国科学院外籍院士、北京高压科学研究中心毛河光等人组成的研究团队在《自然》刊发的论文颠覆了人们对地球核心的已有认知。

超离子态是地球和行星科学研究中的新物态，因其特殊的性质引起了广泛关注。当人类探索的足迹不断迈向宇宙深处，我们不禁会问:超离子态会广泛存在于宇宙天体内部吗?这个发现对于我们研究地球和宇宙有什么意义?

揭开地心的神秘面纱

波涛汹涌的大海、耀眼的电闪雷鸣、摄人心魄的岩浆崩裂、巨大的蘑菇林……在法国作家凡尔纳笔下的《地心游记》中，地球内部是一个丰富多彩的奇幻世界。事实上，科学研究表明，地球内核并不是凡尔纳所想象的空心结构。

地球的年龄大概46亿岁。科学技术的进步，使人类能够上天、入海，然而“入地”却仍然是困难重重。几千年来，没有任何人类的设备能够钻透地壳。受限于观测数据的匮乏，人们对于地球内核结构和性质的认知非常有限。

地震学的发展使得人们可以利用地震波获得地球内部的信息。1936年，科学家通过观测分析地震纵波穿过地核时形成的影区，首次发现了地球内核的存在，人们根据纵波和横波数据的分析，确立了地球液态外核和固态内核的基本认知。

当然，如果没有亲眼看到，我们无法确切地知道地球内核究竟是什么。不幸的是，向地球深处发射探测器是不可能的。这就是为什么此次研究人员在他们的最新研究中专注于计算机模拟。

何宇说，地球内核的密度比纯铁要低，因而人们推测地球内核中存在某些轻元素。对于这些潜在的超离子态铁合金，前人做了大量的研究，但重元素与轻元素是以什么状态共存的还是个谜。为此，研究团队利用基于量子力学的分子动力学模拟，在地球核心的温度和压力下进行了计算模拟，表明地球内核并非传统认知的固态，而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。

所谓的超离子态，介于固态和液态之间，在超离子态物质中一部分离子如液体一般快速运动，而另一部分离子如“骨架”一般固定。最新研究成果吸引了相关研究领域专家的关注，大家普遍认为这是非常重要的创新认识，对认知地球内核结构、乃至研究整个宇宙的天体内核结构非常重要。

宇宙天体内核之谜待解

茫茫宇宙，存在着大量的天体。一般来说，天体之间由于相互吸引和相互绕转的关系，可以被分为不同层级的天体系统，其中包含地球的天体系统从小到大分别是地月系统、太阳系、银河系、总星系和宇宙。

目前人类对于地月系统、太阳系和银河系了解得相对多一些，而对于总星系和宇宙的了解则相对较少。那么不同类型的宇宙天体，其内核会是什么状态的?也会和地球一样是超离子态吗?对此，何宇解释，目前人类能直接探测的行星核心有限，已知的行星核心状态主要是液态和固态，有些天体甚至还不一定有内核;至于超离子态核心则更稀少，因为它要满足温度、压力以及组成物质等条件才能形成。

不久前，南京大学物理学院教授孙建等人预言，巨行星内部存在超离子态硅-氧-氢化合物。

长期以来，关于天王星和海王星等巨行星们内部物质存在很多争议，目前有冰巨星和岩石巨星两类行星模型。冰巨星模型可以解释天王星和海王星的磁场，而磁场与行星内核紧密相关，但这种模型不能解释所有对它们的观测数据，如行星大气中的氕氘比例。岩石巨星模型则可以解释氕氘比例，并且其冰岩比例与柯伊伯带天体相近，更容易解释行星的起源问题，但是缺少导电物质来解释行星磁场。此外，天王星与海王星核幔边界的结构也是一个长期存在的问题。一般认为，天王星与海王星的地幔主要由水、氨和甲烷组成，核心为石质，主要成分为二氧化硅。目前尚不清楚，二者在核幔交界处是有清晰的边界还是渐变的过渡区。

孙建等人利用晶体结构搜索和第一性原理计算等方法预言了多种硅-氧-氢化合物，并发现其中的二氧化硅-水与二氧化硅-氢两种化合物的超离子态范围，正好符合天王星与海王星核幔边界附近的温度压强条件。研究表明，硅-氧-氢化合物的超离子相可能是天王星与海王星内部的重要组成部分。

文章来源：《离子交换与吸附》 网址: http://www.lzjhyxfzzs.cn/zonghexinwen/2022/0316/697.html