終於觀察到可能在外星行星上形成的奇怪冰

一種被認為存在於外星海洋深處的奇怪冰終於被證明存在。

研究人員首次直接觀察到一種稱為塑性冰的水混合相，它在高溫高壓下形成，具有固態冰和液態水的特性。 2 月 12 日報告的觀察結果自然，可能有助於研究人員更好地了解太陽系內外其他世界的內部結構和過程，其中一些可能適合居住。

巴黎國家科學研究中心的物理學家利維亞·博夫說，塑料冰是“介於液體和晶體之間的東西，你可以想像，當你擠壓它時，它會變得更軟”。她說，它被稱為塑性冰，因為它比典型的結晶冰更​​容易成型或變形，表現出科學家稱之為可塑性的特性。 “就像某種東西可以[擠]過一個洞然後出來，即使它仍然是固體。”

地球表面的大部分冰——包括冰塊、冰川和雪——都是由排列成類似蜂窩狀的六邊形晶格的水分子組成。科學家將這種常見的冰歸類為 lh 冰。但除了冰 Ih 之外，至少還有 20 種其他已知的冰相在不同的壓力和溫度條件下形成。在壓力超過 20,000 巴（即每平方厘米 20,000 公斤）時，冰晶格會壓縮成 Ice VII，這是一種具有緻密立方結構的多晶型物，其中分子的排列就像魔方中的立方體一樣。冰七已被發現起源於地幔並被認為發生。庫爾特·馮內古特的粉絲可能有興趣聽到冰IX於1996年被發現，儘管它缺乏凍結整個海洋的可怕能力。

還有一些冰相僅在理論上存在。 15 多年前，計算機模擬表明，當 VII 號冰被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，就像液體一樣，同時佔據固定位置，就像在固體中一樣。由於假想相與冰 VII 具有相同的立方晶體結構，因此被稱為塑性冰 VII。但由於當時在如此高壓下進行實驗在技術上是不可行的，因此多年來科學家們一直沒有找到塑性冰存在的確鑿證據。

在這項新研究中，博夫和同事利用了一種相對較新的工具勞厄-朗之萬研究所位於法國格勒諾布爾的該裝置能夠測量極端壓力下分子的運動。在實驗中，他們將中子束對準水樣，並將樣品置於高達 326°C 的溫度和高達 60,000 巴的壓力下。當傳入的中子與樣品中的水分子相互作用時，它們獲得或損失的能量取決於水分子移動和旋轉的程度，然後被散射到探測器上。通過測量散射中子的能量，博夫的團隊能夠表徵分子的運動並識別所形成的相。

在 177°C 以上和大約 30,000 巴（大約是地球海洋最深點壓力的 28 倍）的溫度下，Bove 的團隊觀察到了一種冰相，它具有立方晶格，其中水分子的旋轉速度與液態水中的水分子旋轉速度一樣快。他們將該相鑑定為塑料冰VII，最終證實了它的存在。

然而，觀察到的一個細節與預測有所不同。水分子似乎不是自由旋轉，而是劇烈運動。博夫解釋說，當分子旋轉時，它們會破壞與一個鄰居的氫鍵，然後迅速轉動並與另一個分子結合。

西雅圖華盛頓大學的行星科學家 Baptiste Journaux 表示，塑料冰 VII 可能存在於木衛二、土衛六和太陽係其他冰衛星的早期形成階段，當時所有的水都從其高壓內部逸出。他說，新的觀測結果可以幫助研究人員拼湊出這些衛星如何演化成今天的海洋世界的故事。

喬爾諾說，在我們的太陽系之外，這些奇怪的冰可能存在於系外行星的巨大海洋底部，其中一些深達數千公里，可能適合居住。他說，研究塑性冰 VII 將鹽融入其晶格的容易程度有助於確定這種奇怪相的存在是否會增強系外行星海底與上方海洋之間的鹽交換。 “這實際上會給海洋提供更多的營養。”