終於被證明存在著一種奇怪的冰,居住在外星行星的海洋深處。
研究人員第一次直接觀察到一種稱為塑料冰的水的混合相,在高溫和壓力下形成,並表現出固體冰和液態水的特徵。該觀察結果是2月12日在自然,可以幫助研究人員更好地了解太陽系及其他地區其他世界的內部建築和過程,其中一些可能是可居住的。
塑料冰是“液體和水晶之間的中間事物,您可以想像它擠壓時它會柔軟,”羅馬薩皮恩扎的物理學家利維亞·博夫(Livia Bove)說。她說,它之所以稱為塑料冰,是因為它比典型的結晶冰更容易模製或變形,該冰層表現出了屬性科學家稱為可塑性。 “就像可以通過一個孔擠壓的東西,即使它仍然很堅固。”
地球表面上的大多數冰(包括冰塊,冰川和雪)由與蜂窩類似的六角形晶格中排列的水分子組成。科學家將這種常見的冰歸類為冰LH。但是除了冰IH外,在不同的壓力和溫度條件下,至少還有其他20個已知的冰階段。在超過20,000桿的壓力下(或每平方厘米20,000公斤)壓縮到ICE VII中,冰VII是一種具有密集的,立方結構的多晶型物,其中分子像奇異的立方體中的分子一樣排序。發現冰VII已被發現起源於地球的地幔,被認為發生。而Kurt Vonnegut的粉絲可能會感興趣冰IX於1996年發現,儘管它缺乏凍結整個海洋的可怕能力。
還有一些僅理論上存在的冰階段。 15年前,計算機模擬表明,當冰VII加熱並承受極端壓力時,它的單個水分子應該開始自由旋轉,好像是液體,同時佔據固定位置,就像固體中一樣。由於假設階段與ICE VII具有相同的立方晶體結構,因此被稱為塑料ICE VII。但是,由於在如此高的壓力上進行實驗在技術上是不可行的,因此多年來,塑料冰的存在的紮實證據避免了科學家。
對於新研究,Bove及其同事在研究所Laue-Langevin在格林布勒中,法國能夠在極端壓力下測量分子的運動。在實驗中,他們將一個中子束指向水樣品,並將樣品的溫度高達326°C,並壓力高達60,000桿。當傳入中子與樣品中的水分子相互作用時,它們獲得或損失了能量,具體取決於水分子的移動和旋轉多少,然後散佈在朝向檢測器之前。測量散射的中子的能量使Bove的團隊能夠表徵分子的運動並確定形成的相位。
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Bove的團隊在177°C以上且大約30,000桿(大約是地球海洋最深的壓力的28倍)觀察到了一個冰期,該冰具有一個立方晶體晶格,其水分子的旋轉速度與液體水的速度一樣快。他們將該階段確定為塑料冰VII,最後確認其存在。
但是,一個觀察到的細節與預測不同。水分子沒有自由旋轉,而是在生澀的運動中旋轉。 Bove解釋說,隨著分子旋轉,它們會與一個鄰居打破氫鍵,僅與另一個鄰居迅速轉動並結合另一個。
西雅圖華盛頓大學的行星科學家巴蒂斯特·喬納克斯(Baptiste Journaux)說,在所有水從高壓室內逃脫之前,塑料冰VII可能已經存在於歐羅巴,泰坦和其他冰冷月球的早期階段。他說,新的觀察結果可以幫助研究人員撰寫有關這些衛星如何演變為當今海洋世界的故事。
Journaux說,除了我們的太陽系外,奇怪的冰可能會在系外行星的巨大海洋底部安息,其中一些是深層的,可能是數千公里的,並且潛在的居住。他說,研究塑料冰VII如何容易地將鹽摻入其晶格中可以幫助確定奇怪的階段的存在是否會增強外部海底和上面海洋之間的鹽分。 “這實際上將為海洋提供更多的營養。”