冰冷的行星，如天王星(U)和海王星(N)，在我们的太阳系和宇宙中的其他太阳系中都有发现。尽管如此，这些行星的特点是有厚厚的大气层和由挥发性物质(如氢、水、氨等)组成的地幔，是人类探索最少的一类行星;因此，到目前为止，人们对它们的起源、内部结构和组成知之甚少。
旅行者号探测器是由美国宇航局发射的两个机器人系统，旨在探索外太阳系，它们记录了有趣的测量结果，表明冰冷的行星具有特殊的磁场。这些测量表明，与其他类型的行星(如类地行星和气态巨行星)不同，冰态行星没有偶极磁场，因此没有明确的南北磁极。
巴黎综合理工学院、索邦大学和欧洲其他研究所的研究人员最近进行了一项研究，旨在更好地了解这些广泛未被探索的行星中物质的存在形式。他们的论文发表在《自然物理学》杂志上，特别报道了超离子氨在类似于天体物理学期望在U和N内部发现的条件下的熔化曲线。
“大气中U和N的组成表明，它们的地幔是由C、H、N和O原子的复杂混合物组成的，这种混合物也可以表现为水(H2O)、氨(NH3)和甲烷(CH4)的混合物，即所谓的‘行星冰’，”进行这项研究的研究人员之一让·亚历克西斯·埃尔南德斯告诉Phys.org。
“然而，缺乏这些化合物及其混合物在U和N的极端条件下(几百万倍于地球大气压和几千开尔文)的热力学数据，阻碍了目前这些行星的地球物理模型。目前的大多数模型认为地幔是由纯水构成的，其他化合物的影响仍然未知。”
理论研究预测，在极端条件下，比如在冰冷的行星内部，水和氨可以形成超离子相。在这些状态或相中，氢原子变得高度扩散，并以类似于流体运动的方式移动，而剩余的原子(即O和N)仍然保持在晶格中。
埃尔南德斯说:“最近，米洛特和合著者通过实验证明了超离子水的存在，并确定了它的融化曲线。”“我们的工作是一个类似的实验，但针对的是氨。我们的实验是在法国的LULI2000激光设备上完成的，使用了一种叫做激光驱动冲击压缩的技术。”
埃尔南德斯和他的同事在他们的实验中使用的激光驱动冲击压缩技术，本质上是使用高功率激光脉冲在样品内部产生冲击波。当冲击波穿过样品时，它会增加样品的压力和温度。
冲击波的传输持续几纳秒(即几十亿分之一秒)。在这短暂的时间内，研究人员测量了样品的冲击速度和温度(T)。然后，他们使用内部标准，特别是石英，将冲击速度与样品内部压力联系起来。
P-T公司受冲击样品的状态取决于它的相(结构)，”Hernandez说。"对于给定的阶段，所有可能的P-T冲击能到达的条件位于一条叫做雨果的单线上niot曲线。所以，当激波传播过程中发生相变时，P-T条件将首先跟随雨果然后沿着两相之间的P-T边界，最终到达Hugo不是第二阶段。”
在研究小组的实验中，穿过样本的冲击波将氨变成了一种致密的液体。研究人员还观察到，在冲击波传播过程中，压力和温度的演变存在一个扭结。
Hernandez说:“这种扭结对应于样品中的P-T条件停止遵循流体相的Hugoniot并开始遵循超离子相的边界的时刻。”
“这些结果得到了我们的合著者所做的原子模拟的支持。这些基于量子力学的模拟再现了氨在实验条件下的行为。模拟能够准确地再现实验观察到的结果。基于这一协议，我们利用它们获得了关于N和H原子在这种条件下的行为的微观见解，并确定了与天王星和海王星相关的条件下流体的导电性和氨的超离子状态。”
在U和N内部可能存在的条件下产生冲击波是一项具有挑战性的任务。这首先是因为要产生强烈的冲击，样品在初始状态(即冲击波进入之前)应该是固体或液体，而氨在环境温度下是气态的。
因此，研究人员首先必须将氨液化或固化。更复杂的是，即使在氨被液化之后(无论是通过冷却还是加压)，样品中的冲击也会显著提高温度，达到比U和N内部更极端的条件。
Hernandez说:“为了解决这两个挑战，我们必须首先在一种称为金刚石砧细胞的设备中预压缩氨至3gpa(30000巴)。
“该设备通常用于通过将样品保持在带有金刚石砧的小型压力机中以静态方式产生高压。在我们的实验中，我们必须将这种静态预压缩与主要的激光驱动冲击压缩结合起来。在电击之前，我们把氨压缩成一种叫做氨- iii的结晶态。然后我们震动氨- iii，导致天王星和海王星内部的P-T条件。”
通过他们的实验，埃尔南德斯和他的同事们最终能够勾勒出高达300 GPa的超离子氨的融化曲线，在这种条件下，人们可以在冰冷的行星中找到。这可能对未来的工作产生有趣的影响，同时也为这些广泛未被探索的行星的可能特征提供了新的线索。
Hernandez解释说:“这项研究的一个重要结果是，致密的液态氨比纯水具有更高的导电性，这意味着在U和N的内部，氨浓度较高的流体区域可能比周围环境具有更高的导电性。”“这些电导率的变化影响了这些行星特殊磁场的产生或传播。”
更好地理解纯系统，如水和氨，在高压和高温下的行为，是理解冰冷行星内部发生的事情的关键的第一步。到目前为止，Hernandez和他的同事们关注的是超离子氨在这些极端条件下的融化曲线，以及碳、氢、氧和氮的U、N复合混合物的地幔，他们计划在进一步的研究中对此进行研究。
Hernandez补充说:“当我们观察到超离子水在70到100 GPa之间的熔化曲线交叉时，熔化曲线的确定也是一个重大发现，这意味着在这个压力范围内，氨比水在更低的温度下熔化。”“这是确定天王星和海王星地幔内固体或超离子区域范围(如果有的话)的重要输入。在未来的实验中，我们将尝试逐步探索更复杂的系统，例如水和氨的混合物。”
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希望本篇文章《超离子氨在寒冷行星内部条件下的熔化特性研究》能对你有所帮助！
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