天王星和海王星等冰巨行星如何維持磁場

作者 | 發布日期 2021 年 10 月 21 日 8:15 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


一層「熱」導電冰可能是天王星和海王星等冰巨行星產生磁場的原因。卡內基和芝加哥大學高級輻射源中心揭示形成兩種超離子冰的條件,發表於《Nature Physics》期刊。

眾所皆知水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成H2O,當水存在條件發生變化,分子組織和性質會受影響,如日常液態水煮沸成蒸汽或結凍成冰。普通冰分子由氫原子和氧原子的氫鍵連結,氫鍵具高度通用性,這表示冰可以驚人多樣性存在於不同結構,目前已知至少有18種形式,這些結構出現在越來越極端的環境條件下。

超離子冰令人特別感興趣,是在非常高壓力和溫度下形成,傳統水分子鍵發生變化,使氫分子在氧晶格內自由漂移,這種流動性使冰像金屬材料可導電。但實驗室產生的高溫超離子冰卻導致矛盾結果,並對新特性出現的確切條件有很大分歧。研究團隊使用多種光譜工具繪製高達正常大氣壓150萬倍和約6,200°C條件下,冰結構和特性變化圖,讓科學家確定兩種形式超離子冰出現,他們認為其中一種可能可在冰巨行星天王星和海王星內部找到。

研究人員表示,為了在非常極端的條件下探測獨特物質狀態的結構,使用先進光子源的明亮高能同步加速器X射線束,聚焦到約3微米,即比人髮寬度小30倍。這些實驗非常具挑戰性,需十年內進行幾千次,才足以獲得高品質數據,夠解答長期冰在與巨行星內部條件下高壓高溫行為的謎團。

研究人員補充,模擬表明兩顆行星的磁場是在相對較淺的深度發現的薄流體層產生,超離子冰的導電性能完成這類型磁場生成,揭示的兩種結構之一可能存在於這些磁場生成區的條件下。研究團隊還需進一步研究,以了解這些冰相在冰巨行星內部條件下的導電性和黏度。

▲ 實驗揭示兩種形式超離子冰。(Source:Vitali Prakapenka)

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:NASA