兩顆奇怪的行星:天王星和海王星傾斜磁場的未解之謎

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天王星和海王星都有一個完全傾斜的磁場,也許是由於行星特殊的內部結構。但現在蘇黎世聯邦理工學院研究人員的新實驗表明多種假說均不成立,這個謎團仍沒有頭緒。天王星和海王星這兩顆大型氣體行星擁有奇怪的磁場。這些磁場相對於行星的自轉軸都有強烈的傾斜,並且與行星的物理中心有明顯的偏移,其原因一直是行星科學界的一個謎團。

各種理論認為,這些行星獨特的內部結構可能是造成這種奇異現象的原因。這些假說認為偏斜的磁場是由對流層中的循環引起的,而對流層由導電液體組成。這個對流層又圍繞著一個穩定的分層的非對流層,在這個對流層中,由於材料的高粘度,沒有循環,因此對磁場沒有太多影響。

計算機模擬顯示,天王星和海王星的主要成分–水和氨,在非常高的壓力和溫度下進入一種不同尋常的狀態:"超離子狀態",它同時具有固體和液體的特性。在這種狀態下,氫離子在氧氣或氮氣形成的晶格結構中變得流動起來。

最近的實驗研究證實,超離子水可以存在於根據理論,穩定分層區域所在的深度。因此,可能是分層層是由超離子成分形成的。但是,由於超離子狀態的物理特性尚不清楚,這些成分是否真的能夠抑制對流並未可知。

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最小空間內的高壓

蘇黎世聯邦理工學院地球科學系的木村智明和村上元彥現在離找到答案又近了一步。這兩位研究人員在實驗室里用氨進行了高壓和高溫實驗。實驗的目的是確定超離子材料的彈性。彈性是影響行星地幔熱對流的最重要物理性質之一。值得注意的是,材料在固態和液態下的彈性是完全不同的。

在調查中,研究人員使用了一種叫做金剛石砧板電池的高壓儀器。在這種儀器中,氨氣被放置在一個直徑約100微米的小容器中,然後夾在兩個金剛石尖端之間壓縮樣品。這樣就可以將材料置於極高的壓力下,如天王星和海王星內部的壓力。

然後用紅外激光將樣品加熱到2000多攝氏度。同時,一束綠色激光照亮樣品。通過測量散射的綠色激光的波譜,研究人員可以確定材料的彈性和氨中的化學鍵。不同壓力和溫度下波譜的變化可以用來確定氨在不同深度的彈性。

木村和村上在測量中發現了一種新的超離子氨相(γ相),它表現出與液相相似的彈性。這種新相可能穩定在天王星和海王星的深層內部,因此在那裡出現。然而,超電離氨的行為就像液體一樣,因此它的粘性不足以促成非對流層的形成。

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基於新的研究結果,超離子水在天王星和海王星內部有什麼特性的問題就變得更加迫切。因為即使是現在,這兩顆行星為什麼會有如此不規則的磁場,這個謎團仍然沒有解開。

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