地球是目前人類在宇宙中的唯一家園，我們(men) 對它足夠了解嗎？未必。我國科學家最新的研究成果表明，地球內(nei) 核並非傳(chuan) 統認知的固態，而是由固態鐵和流動的輕元素組成的超離子態。

        日前，中國科學院地球化學研究所地球內(nei) 部物質高溫高壓重點實驗室研究員李和平、何宇與(yu) 中國科學院外籍院士、北京高壓科學研究中心毛河光等人組成的研究團隊在《自然》刊發的論文顛覆了人們(men) 對地球核心的已有認知。

        超離子態是地球和行星科學研究中的新物態，因其特殊的性質引起了廣泛關(guan) 注。當人類探索的足跡不斷邁向宇宙深處，我們(men) 不禁會(hui) 問：超離子態會(hui) 廣泛存在於(yu) 宇宙天體(ti) 內(nei) 部嗎？這個(ge) 發現對於(yu) 我們(men) 研究地球和宇宙有什麽(me) 意義(yi) ？

        揭開地心的神秘麵紗

        波濤洶湧的大海、耀眼的電閃雷鳴、攝人心魄的岩漿崩裂、巨大的蘑菇林……在法國作家凡爾納筆下的《地心遊記》中，地球內(nei) 部是一個(ge) 豐(feng) 富多彩的奇幻世界。事實上，科學研究表明，地球內(nei) 核並不是凡爾納所想象的空心結構。

        地球的年齡大概46億(yi) 歲。科學技術的進步，使人類能夠上天、入海，然而“入地”卻仍然是困難重重。幾千年來，沒有任何人類的設備能夠鑽透地殼。受限於(yu) 觀測數據的匱乏，人們(men) 對於(yu) 地球內(nei) 核結構和性質的認知非常有限。

        地震學的發展使得人們(men) 可以利用地震波獲得地球內(nei) 部的信息。1936年，科學家通過觀測分析地震縱波穿過地核時形成的影區，首次發現了地球內(nei) 核的存在，人們(men) 根據縱波和橫波數據的分析，確立了地球液態外核和固態內(nei) 核的基本認知。

        當然，如果沒有親(qin) 眼看到，我們(men) 無法確切地知道地球內(nei) 核究竟是什麽(me) 。不幸的是，向地球深處發射探測器是不可能的。這就是為(wei) 什麽(me) 此次研究人員在他們(men) 的最新研究中專(zhuan) 注於(yu) 計算機模擬。

        何宇說，地球內(nei) 核的密度比純鐵要低，因而人們(men) 推測地球內(nei) 核中存在某些輕元素。對於(yu) 這些潛在的超離子態鐵合金，前人做了大量的研究，但重元素與(yu) 輕元素是以什麽(me) 狀態共存的還是個(ge) 謎。為(wei) 此，研究團隊利用基於(yu) 量子力學的分子動力學模擬，在地球核心的溫度和壓力下進行了計算模擬，表明地球內(nei) 核並非傳(chuan) 統認知的固態，而是由固態鐵和流動的輕元素組成的超離子態。

        所謂的超離子態，介於(yu) 固態和液態之間，在超離子態物質中一部分離子如液體(ti) 一般快速運動，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(guan) 研究領域專(zhuan) 家的關(guan) 注，大家普遍認為(wei) 這是非常重要的創新認識，對認知地球內(nei) 核結構、乃至研究整個(ge) 宇宙的天體(ti) 內(nei) 核結構非常重要。

        宇宙天體(ti) 內(nei) 核之謎待解

        茫茫宇宙，存在著大量的天體(ti) 。一般來說，天體(ti) 之間由於(yu) 相互吸引和相互繞轉的關(guan) 係，可以被分為(wei) 不同層級的天體(ti) 係統，其中包含地球的天體(ti) 係統從(cong) 小到大分別是地月係統、太陽係、銀河係、總星係和宇宙。

        目前人類對於(yu) 地月係統、太陽係和銀河係了解得相對多一些，而對於(yu) 總星係和宇宙的了解則相對較少。那麽(me) 不同類型的宇宙天體(ti) ，其內(nei) 核會(hui) 是什麽(me) 狀態的？也會(hui) 和地球一樣是超離子態嗎？對此，何宇解釋，目前人類能直接探測的行星核心有限，已知的行星核心狀態主要是液態和固態，有些天體(ti) 甚至還不一定有內(nei) 核；至於(yu) 超離子態核心則更稀少，因為(wei) 它要滿足溫度、壓力以及組成物質等條件才能形成。

        不久前，南京大學物理學院教授孫建等人預言，巨行星內(nei) 部存在超離子態矽—氧—氫化合物。

        長期以來，關(guan) 於(yu) 天王星和海王星等巨行星們(men) 內(nei) 部物質存在很多爭(zheng) 議，目前有冰巨星和岩石巨星兩(liang) 類行星模型。冰巨星模型可以解釋天王星和海王星的磁場，而磁場與(yu) 行星內(nei) 核緊密相關(guan) ，但這種模型不能解釋所有對它們(men) 的觀測數據，如行星大氣中的氕氘比例。岩石巨星模型則可以解釋氕氘比例，並且其冰岩比例與(yu) 柯伊伯帶天體(ti) 相近，更容易解釋行星的起源問題，但是缺少導電物質來解釋行星磁場。此外，天王星與(yu) 海王星核幔邊界的結構也是一個(ge) 長期存在的問題。一般認為(wei) ，天王星與(yu) 海王星的地幔主要由水、氨和甲烷組成，核心為(wei) 石質，主要成分為(wei) 二氧化矽。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渡區。

        孫建等人利用晶體(ti) 結構搜索和第一性原理計算等方法預言了多種矽—氧—氫化合物，並發現其中的二氧化矽—水與(yu) 二氧化矽—氫兩(liang) 種化合物的超離子態範圍，正好符合天王星與(yu) 海王星核幔邊界附近的溫度壓強條件。研究表明，矽—氧—氫化合物的超離子相可能是天王星與(yu) 海王星內(nei) 部的重要組成部分。

        人類研究天體(ti) 核心的腳步從(cong) 未停歇

        “實際上，與(yu) 對其他天體(ti) 核心的了解相比，我們(men) 對地球核心的認知還是很多的，地震學仍然是認識地核的主要手段，當然我們(men) 也可以通過高溫高壓的實驗和計算模擬，對某些天體(ti) 核心性質進行研究，但這個(ge) 研究難度就大得多了。”何宇說，盡管難度很大，但人類沒有停止過探索的腳步。

        開普勒天文望遠鏡的觀測數據表明，類地行星在宇宙中十分普遍。由於(yu) 它們(men) 距離地球過於(yu) 遙遠，對它們(men) 進行研究難度非常大。金星雖然是人類探索的第一顆太陽係內(nei) 行星，但由於(yu) 金星登陸難度太大，科學家便轉移了目標，轉而探索火星。

        事實上，火星的直徑隻有地球的一半，體(ti) 積隻有地球的15%，引力也隻有地球的38%，而且火星已經處於(yu) 太陽係宜居帶的邊緣。因此，研究火星有助於(yu) 人類預測類地行星的成分和大氣層。

        何宇表示，美國國家航空航天局的“洞察號”火星探測器收集到了經過火星內(nei) 核的火星地震信號，這是人類首次探測到地外行星核。不過由於(yu) 數據量不足，科學家還是不能確定，火星是否有個(ge) 固態的內(nei) 核。

        2018年，“洞察號”在火星表麵成功著陸，並於(yu) 2019年4月首次探測到火星地震。與(yu) 地球上發生的地震相比，火星震動強度顯得微不足道，但每次火星震動都能揭示火星內(nei) 部構造，通過研究地震波如何穿過行星的不同層，科學家可以推斷不同層的深度和組成。從(cong) 某種意義(yi) 上來說，火星震動相當於(yu) 給火星拍攝了一張X光片，科學家可以通過研究火星地幔和地核之間的深邊界反射的地震波，來測量火星地核的大小。

        何宇表示，今年美國國家航空航天局將開啟對靈神星的探索之旅，這個(ge) 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，這對於(yu) 我們(men) 認知地球以及其他行星的核心十分重要。”

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