宇宙天體內核到底什么樣

日前，中國科學院地球化學研究所地球內部物質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)，因其特殊的性質引起了廣泛關注。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部嗎？這個發(fā)現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，地球內核并不是凡爾納所想象的空心結構。

地球的年齡大概46 億歲。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鉆透地殼。受限于觀測數據的匱乏，人們對于地球內核結構和性質的認知非常有限。

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)現了地球內核的存在，人們根據縱波和橫波數據的分析，確立了地球液態(tài)外核和固態(tài)內核的基本認知。

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，地球內核的密度比純鐵要低，因而人們推測地球內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研究領域專家的關注，大家普遍認為這是非常重要的創(chuàng)新認識，對認知地球內核結構乃至研究整個宇宙的天體內核結構非常重要。

宇宙天體內核之謎待解

茫茫宇宙中存在著大量的天體。一般來說，天體之間由于相互吸引和相互繞轉的關系，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。

小學階段的學生對周圍的一切都充滿了好奇心，具有很強的求知欲，教師積極培養(yǎng)學生的興趣，可以使學生在獲取知識的過程中擴大視野，提高創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的教學模式單一的向學生，降低了學生的學習興趣，不利于教學的有效開展。如果利用教學情境法激發(fā)學生的興趣，使學生注重參與到科學探索中，可以有效提高教學效率。例如在教學《生活中的靜電現象》時，讓學生先說一說生活中產生的靜電，在向學生展示相關的圖片，在帶領學生做一些有趣的小實驗，如用梳子梳干燥的頭發(fā)或者用經過摩擦的塑料棒靠近紙屑，讓學生仔細觀察教學現象，營造良好的教學情境，激發(fā)學生的興趣，引導學生進行探索，可以有效開展小學科學教學課堂。

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，巨行星內部存在超離子態(tài)硅—氧—氫化合物。

長期以來，關于天王星和海王星等巨行星們內部物質存在很多爭議，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，而磁場與行星內核緊密相關，但這種模型不能解釋所有對它們的觀測數據，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，但是缺少導電物質來解釋行星磁場。此外，天王星與海王星核幔邊界的結構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，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構搜索和第一性原理計算等方法預言了多種硅—氧—氫化合物，并發(fā)現其中的二氧化硅—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據表明，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行星，但由于金星登陸難度太大，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%，而且火星已經處于太陽系宜居帶的邊緣。因此，研究火星有助于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。不過由于數據量不足，科學家還是不能確定，火星是否有個固態(tài)的內核。

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。”