终于观察到可能在外星行星上形成的奇怪冰

一种被认为存在于外星海洋深处的奇怪冰终于被证明存在。

研究人员首次直接观察到一种称为塑性冰的水混合相，它在高温高压下形成，具有固态冰和液态水的特性。 2 月 12 日报告的观察结果自然，可能有助于研究人员更好地了解太阳系内外其他世界的内部结构和过程，其中一些可能适合居住。

巴黎国家科学研究中心的物理学家利维亚·博夫说，塑料冰是“介于液体和晶体之间的东西，你可以想象，当你挤压它时，它会变得更软”。她说，它被称为塑性冰，因为它比典型的结晶冰更容易成型或变形，表现出科学家称之为可塑性的特性。 “就像某种东西可以[挤]过一个洞然后出来，即使它仍然是固体。”

地球表面的大部分冰——包括冰块、冰川和雪——都是由排列成类似蜂窝状的六边形晶格的水分子组成。科学家将这种常见的冰归类为 lh 冰。但除了冰 Ih 之外，至少还有 20 种其他已知的冰相在不同的压力和温度条件下形成。在压力超过 20,000 巴（即每平方厘米 20,000 公斤）时，冰晶格会压缩成 Ice VII，这是一种具有致密立方结构的多晶型物，其中分子的排列就像魔方中的立方体一样。冰七已被发现起源于地幔并被认为发生。库尔特·冯内古特的粉丝可能有兴趣听到冰IX于1996年被发现，尽管它缺乏冻结整个海洋的可怕能力。

还有一些冰相仅在理论上存在。 15 多年前，计算机模拟表明，当 VII 号冰被加热并承受极端压力时，它的单个水分子应该开始自由旋转，就像液体一样，同时占据固定位置，就像在固体中一样。由于假想相与冰 VII 具有相同的立方晶体结构，因此被称为塑性冰 VII。但由于当时在如此高压下进行实验在技术上是不可行的，因此多年来科学家们一直没有找到塑性冰存在的确凿证据。

在这项新研究中，博夫和同事利用了一种相对较新的工具劳厄-朗之万研究所位于法国格勒诺布尔的该装置能够测量极端压力下分子的运动。在实验中，他们将中子束对准水样，并将样品置于高达 326°C 的温度和高达 60,000 巴的压力下。当传入的中子与样品中的水分子相互作用时，它们获得或损失的能量取决于水分子移动和旋转的程度，然后被散射到探测器上。通过测量散射中子的能量，博夫的团队能够表征分子的运动并识别所形成的相。

在 177°C 以上和大约 30,000 巴（大约是地球海洋最深点压力的 28 倍）的温度下，Bove 的团队观察到了一种冰相，它具有立方晶格，其中水分子的旋转速度与液态水中的水分子旋转速度一样快。他们将该相鉴定为塑料冰VII，最终证实了它的存在。

然而，观察到的一个细节与预测有所不同。水分子似乎不是自由旋转，而是剧烈运动。博夫解释说，当分子旋转时，它们会破坏与一个邻居的氢键，然后迅速转动并与另一个分子结合。

西雅图华盛顿大学的行星科学家 Baptiste Journaux 表示，塑料冰 VII 可能存在于木卫二、土卫六和太阳系其他冰卫星的早期形成阶段，当时所有的水都从其高压内部逸出。他说，新的观测结果可以帮助研究人员拼凑出这些卫星如何演化成今天的海洋世界的故事。

乔尔诺说，在我们的太阳系之外，这些奇怪的冰可能存在于系外行星的巨大海洋底部，其中一些深达数千公里，可能适合居住。他说，研究塑性冰 VII 将盐融入其晶格的容易程度有助于确定这种奇怪相的存在是否会增强系外行星海底与上方海洋之间的盐交换。 “这实际上会给海洋提供更多的营养。”