海王星和天王星有新發現但是仍然未能解釋它們的神秘現象

天王星和海王星都有完全偏斜的磁場，這可能是由於行星的特殊內部結構所致。但是，蘇黎世聯邦理工學院研究人員的新實驗現在表明，這個謎團尚未解決。

天王星和海王星這兩顆大型氣體行星具有奇怪的磁場。它們每個都相對於行星自轉軸強烈傾斜，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領域的一個長期謎團。各種理論認為，這些行星的獨特內部結構可能是造成這種奇怪現象的原因。根據這些理論，傾斜磁場是由對流層中的循環引起，對流層由導電流體組成，而對流層又圍繞著穩定分層（stably-stratified Layer）的非對流層，在該層中，由於高粘度而沒有材料的循環，因此對磁場沒有貢獻。

電腦模擬顯示，水和氨（天王星和海王星的主要成分）在非常高的壓力和溫度下會進入一種不尋常的超離子狀態，具有固態和液態的特性。在這種狀態下，氫離子在由氧或氮形成的晶格結構（lattice structure）內移動。

最近的實驗研究證實，根據理論，超離子水可以存在於穩定分層區域所在的深度。因此，分層層可能是由超離子成分形成的。然而，由於超離子態的物理性質是未知的，因此不清楚這些組分是否實際上能夠抑制對流。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院地球科學系的木村智明（Tomoaki Kimura）和村上元彥（Motohiko Murakami）現在離尋找答案已經近了一步。兩位研究人員在他們的實驗室中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的物理特性之一。值得注意的是，材料在固態和液態時的彈性是完全不同的。

為了進行研究，研究人員使用了一種稱為鑽石砧室（diamond anvil cell）的高壓裝置。在該設備中，將氨放入直徑約100微米的小容器中，然後將其夾在壓縮樣品的兩個金剛石尖端之間。這樣就可以使物質承受極高的壓力，例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攝氏二千度以上。同時，綠色的激光束照亮樣本。通過測量散射的綠色激光的光譜，研究人員可以確定材料的彈性以及氨中的化學鍵。在不同壓力和溫度下波譜的變化可用於確定不同深度下氨的彈性。

在測量中，木村和村上發現了一種新的超離子氨相（γ相），該相具有類似於液相的彈性。這個新階段可能在天王星和海王星的深部內部是穩定，因此發生在那裡。然而，超離子氨的行為類似於液體，因此其粘度將不足以有助於非對流層的形成。

鑑於新的結果，在天王星和海王星內部超離子水俱有什麼性質的問題變得更加緊迫。到目前為止，關於兩顆行星為何具有如此不規則磁場的謎團仍未解決。

【圖、文：節譯自瑞士蘇黎世聯邦理工學院2021年3月31日新聞公佈】研究全文將會刊登在2021年4月6日出版的《美國國家科學院院刊》