地球是目前人類在宇宙中的唯一家園，我們對它足夠了解嗎？未必。我國科學家最新的研究成果表明，地球內(nèi)核并非傳統(tǒng)認知的固態(tài)，而是由固態(tài)鐵和流動的輕元素組成的超離子態(tài)。
日前，中國科學院地球化學研究所地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓重點實驗室研究員李和平、何宇與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(fā)的論文顛覆了人們對地球核心的已有認知。
超離子態(tài)是地球和行星科學研究中的新物態(tài)，因其特殊的性質(zhì)引起了廣泛關(guān)注。當人類探索的足跡不斷邁向宇宙深處，我們不禁會問：超離子態(tài)會廣泛存在于宇宙天體內(nèi)部嗎？這個發(fā)現(xiàn)對于我們研究地球和宇宙有什么意義？
揭開地心的神秘面紗
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……在法國作家凡爾納筆下的《地心游記》中，地球內(nèi)部是一個豐富多彩的奇幻世界。事實上，科學研究表明，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。科學技術(shù)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(shè)備能夠鉆透地殼。受限于觀測數(shù)據(jù)的匱乏，人們對于地球內(nèi)核結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認知非常有限。
地震學的發(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，科學家通過觀測分析地震縱波穿過地核時形成的影區(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)核的基本認知。
當然，如果沒有親眼看到，我們無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注于計算機模擬。
何宇說，地球內(nèi)核的密度比純鐵要低，因而人們推測地球內(nèi)核中存在某些輕元素。對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)共存的還是個謎。為此，研究團隊利用基于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(nèi)核并非傳統(tǒng)認知的固態(tài)，而是由固態(tài)鐵和流動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(guān)研究領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注，大家普遍認為這是非常重要的創(chuàng)新認識，對認知地球內(nèi)核結(jié)構(gòu)、乃至研究整個宇宙的天體內(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。一般來說，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)、太陽系、銀河系、總星系和宇宙。
目前人類對于地月系統(tǒng)、太陽系和銀河系了解得相對多一些，而對于總星系和宇宙的了解則相對較少。那么不同類型的宇宙天體，其內(nèi)核會是什么狀態(tài)的？也會和地球一樣是超離子態(tài)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(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，因為它要滿足溫度、壓力以及組成物質(zhì)等條件才能形成。
不久前，南京大學物理學院教授孫建等人預(yù)言，巨行星內(nèi)部存在超離子態(tài)硅—氧—氫化合物。
長期以來，關(guān)于天王星和海王星等巨行星們內(nèi)部物質(zhì)存在很多爭議，目前有冰巨星和巖石巨星兩類行星模型。冰巨星模型可以解釋天王星和海王星的磁場，而磁場與行星內(nèi)核緊密相關(guān)，但這種模型不能解釋所有對它們的觀測數(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題，但是缺少導(dǎo)電物質(zhì)來解釋行星磁場。此外，天王星與海王星核幔邊界的結(jié)構(gòu)也是一個長期存在的問題。一般認為，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渡區(qū)。
孫建等人利用晶體結(jié)構(gòu)搜索和第一性原理計算等方法預(yù)言了多種硅—氧—氫化合物，并發(fā)現(xiàn)其中的二氧化硅—水與二氧化硅—氫兩種化合物的超離子態(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條件。研究表明，硅—氧—氫化合物的超離子相可能是天王星與海王星內(nèi)部的重要組成部分。
人類研究天體核心的腳步從未停歇
“實際上，與對其他天體核心的了解相比，我們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，當然我們也可以通過高溫高壓的實驗和計算模擬，對某些天體核心性質(zhì)進行研究，但這個研究難度就大得多了?！焙斡钫f，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(shù)據(jù)表明，類地行星在宇宙中十分普遍。由于它們距離地球過于遙遠，對它們進行研究難度非常大。金星雖然是人類探索的第一顆太陽系內(nèi)行星，但由于金星登陸難度太大，科學家便轉(zhuǎn)移了目標，轉(zhuǎn)而探索火星。
事實上，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)處于太陽系宜居帶的邊緣。因此，研究火星有助于人類預(yù)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(jīng)過火星內(nèi)核的火星地震信號，這是人類首次探測到地外行星核。不過由于數(shù)據(jù)量不足，科學家還是不能確定，火星是否有個固態(tài)的內(nèi)核。
2018年，“洞察號”在火星表面成功著陸，并于2019年4月首次探測到火星地震。與地球上發(fā)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(nèi)部構(gòu)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。從某種意義上來說，火星震動相當于給火星拍攝了一張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，這對于我們認知地球以及其他行星的核心十分重要。”
（責任編輯：蔡文斌）
晉公網(wǎng)安備 14090202000008號 
