實(shí)習(xí)生 蘭霞  陳芳蕓  科技日?qǐng)?bào)記者 何星輝

地球是目前人類(lèi)在宇宙中的唯一家園，我們對(duì)它足夠了解嗎？未必。我國(guó)科學(xué)家最新的研究成果表明，地球內(nèi)核并非傳統(tǒng)認(rèn)知的固態(tài)，而是由固態(tài)鐵和流動(dòng)的輕元素組成的超離子態(tài)。

日前，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李和平、何宇與中國(guó)科學(xué)院外籍院士、北京高壓科學(xué)研究中心毛河光等人組成的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》刊發(fā)的論文顛覆了人們對(duì)地球核心的已有認(rèn)知。

超離子態(tài)是地球和行星科學(xué)研究中的新物態(tài)，因其特殊的性質(zhì)引起了廣泛關(guān)注。當(dāng)人類(lèi)探索的足跡不斷邁向宇宙深處，我們不禁會(huì)問(wèn)：超離子態(tài)會(huì)廣泛存在于宇宙天體內(nèi)部嗎？這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于我們研究地球和宇宙有什么意義？

揭開(kāi)地心的神秘面紗

波濤洶涌的大海、耀眼的電閃雷鳴、攝人心魄的巖漿崩裂、巨大的蘑菇林……在法國(guó)作家凡爾納筆下的《地心游記》中，地球內(nèi)部是一個(gè)豐富多彩的奇幻世界。事實(shí)上，科學(xué)研究表明，地球內(nèi)核并不是凡爾納所想象的空心結(jié)構(gòu)。

地球的年齡大概46億歲。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使人類(lèi)能夠上天、入海，然而“入地”卻仍然是困難重重。幾千年來(lái)，沒(méi)有任何人類(lèi)的設(shè)備能夠鉆透地殼。受限于觀測(cè)數(shù)據(jù)的匱乏，人們對(duì)于地球內(nèi)核結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)知非常有限。

地震學(xué)的發(fā)展使得人們可以利用地震波獲得地球內(nèi)部的信息。1936年，科學(xué)家通過(guò)觀測(cè)分析地震縱波穿過(guò)地核時(shí)形成的影區(qū)，首次發(fā)現(xiàn)了地球內(nèi)核的存在，人們根據(jù)縱波和橫波數(shù)據(jù)的分析，確立了地球液態(tài)外核和固態(tài)內(nèi)核的基本認(rèn)知。

當(dāng)然，如果沒(méi)有親眼看到，我們無(wú)法確切地知道地球內(nèi)核究竟是什么。不幸的是，向地球深處發(fā)射探測(cè)器是不可能的。這就是為什么此次研究人員在他們的最新研究中專(zhuān)注于計(jì)算機(jī)模擬。

何宇說(shuō)，地球內(nèi)核的密度比純鐵要低，因而人們推測(cè)地球內(nèi)核中存在某些輕元素。對(duì)于這些潛在的超離子態(tài)鐵合金，前人做了大量的研究，但重元素與輕元素是以什么狀態(tài)共存的還是個(gè)謎。為此，研究團(tuán)隊(duì)利用基于量子力學(xué)的分子動(dòng)力學(xué)模擬，在地球核心的溫度和壓力下進(jìn)行了計(jì)算模擬，表明地球內(nèi)核并非傳統(tǒng)認(rèn)知的固態(tài)，而是由固態(tài)鐵和流動(dòng)的輕元素組成的超離子態(tài)。

所謂的超離子態(tài)，介于固態(tài)和液態(tài)之間，在超離子態(tài)物質(zhì)中一部分離子如液體一般快速運(yùn)動(dòng)，而另一部分離子如“骨架”一般固定。最新研究成果吸引了相關(guān)研究領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注，大家普遍認(rèn)為這是非常重要的創(chuàng)新認(rèn)識(shí)，對(duì)認(rèn)知地球內(nèi)核結(jié)構(gòu)、乃至研究整個(gè)宇宙的天體內(nèi)核結(jié)構(gòu)非常重要。

宇宙天體內(nèi)核之謎待解

茫茫宇宙，存在著大量的天體。一般來(lái)說(shuō)，天體之間由于相互吸引和相互繞轉(zhuǎn)的關(guān)系，可以被分為不同層級(jí)的天體系統(tǒng)，其中包含地球的天體系統(tǒng)從小到大分別是地月系統(tǒng)、太陽(yáng)系、銀河系、總星系和宇宙。

目前人類(lèi)對(duì)于地月系統(tǒng)、太陽(yáng)系和銀河系了解得相對(duì)多一些，而對(duì)于總星系和宇宙的了解則相對(duì)較少。那么不同類(lèi)型的宇宙天體，其內(nèi)核會(huì)是什么狀態(tài)的？也會(huì)和地球一樣是超離子態(tài)嗎？對(duì)此，何宇解釋?zhuān)壳叭祟?lèi)能直接探測(cè)的行星核心有限，已知的行星核心狀態(tài)主要是液態(tài)和固態(tài)，有些天體甚至還不一定有內(nèi)核；至于超離子態(tài)核心則更稀少，因?yàn)樗獫M(mǎn)足溫度、壓力以及組成物質(zhì)等條件才能形成。

不久前，南京大學(xué)物理學(xué)院教授孫建等人預(yù)言，巨行星內(nèi)部存在超離子態(tài)硅—氧—?dú)浠衔铩?/p>

長(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于天王星和海王星等巨行星們內(nèi)部物質(zhì)存在很多爭(zhēng)議，目前有冰巨星和巖石巨星兩類(lèi)行星模型。冰巨星模型可以解釋天王星和海王星的磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)與行星內(nèi)核緊密相關(guān)，但這種模型不能解釋所有對(duì)它們的觀測(cè)數(shù)據(jù)，如行星大氣中的氕氘比例。巖石巨星模型則可以解釋氕氘比例，并且其冰巖比例與柯伊伯帶天體相近，更容易解釋行星的起源問(wèn)題，但是缺少導(dǎo)電物質(zhì)來(lái)解釋行星磁場(chǎng)。此外，天王星與海王星核幔邊界的結(jié)構(gòu)也是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。一般認(rèn)為，天王星與海王星的地幔主要由水、氨和甲烷組成，核心為石質(zhì)，主要成分為二氧化硅。目前尚不清楚，二者在核幔交界處是有清晰的邊界還是漸變的過(guò)渡區(qū)。

孫建等人利用晶體結(jié)構(gòu)搜索和第一性原理計(jì)算等方法預(yù)言了多種硅—氧—?dú)浠衔铮l(fā)現(xiàn)其中的二氧化硅—水與二氧化硅—?dú)鋬煞N化合物的超離子態(tài)范圍，正好符合天王星與海王星核幔邊界附近的溫度壓強(qiáng)條件。研究表明，硅—氧—?dú)浠衔锏某x子相可能是天王星與海王星內(nèi)部的重要組成部分。

人類(lèi)研究天體核心的腳步從未停歇

“實(shí)際上，與對(duì)其他天體核心的了解相比，我們對(duì)地球核心的認(rèn)知還是很多的，地震學(xué)仍然是認(rèn)識(shí)地核的主要手段，當(dāng)然我們也可以通過(guò)高溫高壓的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬，對(duì)某些天體核心性質(zhì)進(jìn)行研究，但這個(gè)研究難度就大得多了。”何宇說(shuō)，盡管難度很大，但人類(lèi)沒(méi)有停止過(guò)探索的腳步。

開(kāi)普勒天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，類(lèi)地行星在宇宙中十分普遍。由于它們距離地球過(guò)于遙遠(yuǎn)，對(duì)它們進(jìn)行研究難度非常大。金星雖然是人類(lèi)探索的第一顆太陽(yáng)系內(nèi)行星，但由于金星登陸難度太大，科學(xué)家便轉(zhuǎn)移了目標(biāo)，轉(zhuǎn)而探索火星。

事實(shí)上，火星的直徑只有地球的一半，體積只有地球的15%，引力也只有地球的38%，而且火星已經(jīng)處于太陽(yáng)系宜居帶的邊緣。因此，研究火星有助于人類(lèi)預(yù)測(cè)類(lèi)地行星的成分和大氣層。

何宇表示，美國(guó)國(guó)家航空航天局的“洞察號(hào)”火星探測(cè)器收集到了經(jīng)過(guò)火星內(nèi)核的火星地震信號(hào)，這是人類(lèi)首次探測(cè)到地外行星核。不過(guò)由于數(shù)據(jù)量不足，科學(xué)家還是不能確定，火星是否有個(gè)固態(tài)的內(nèi)核。

2018年，“洞察號(hào)”在火星表面成功著陸，并于2019年4月首次探測(cè)到火星地震。與地球上發(fā)生的地震相比，火星震動(dòng)強(qiáng)度顯得微不足道，但每次火星震動(dòng)都能揭示火星內(nèi)部構(gòu)造，通過(guò)研究地震波如何穿過(guò)行星的不同層，科學(xué)家可以推斷不同層的深度和組成。從某種意義上來(lái)說(shuō)，火星震動(dòng)相當(dāng)于給火星拍攝了一張X光片，科學(xué)家可以通過(guò)研究火星地幔和地核之間的深邊界反射的地震波，來(lái)測(cè)量火星地核的大小。

何宇表示，今年美國(guó)國(guó)家航空航天局將開(kāi)啟對(duì)靈神星的探索之旅，這個(gè)小行星非常特別，主要由鐵鎳合金組成，可能是早期行星的核心殘骸，“這次探索將確定它是否是行星核心，這對(duì)于我們認(rèn)知地球以及其他行星的核心十分重要。”

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