固体 液体 超离子状态.宇宙物体的“心脏”是什么？

地球是人类目前在宇宙中唯一的家园。我们对它了解得足够多吗？不一定。中国科学家的最新研究成果表明，地核并非传统认识的固态，而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。

日前，由中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压重点实验室研究员李和平、何宇、中科院外籍院士、北京高压科学研究中心毛河光等人组成的研究团队在《自然》发表论文，颠覆了人们对地球内核的现有认知。

超离子态是地球和行星科学研究中的一种新的物质状态，因其特殊的性质而引起广泛关注。随着人类探索的足迹越来越深入宇宙，我们不禁要问：超离子态会广泛存在于宇宙天体中吗？这一发现对我们研究地球和宇宙意味着什么？

揭开地心的神秘面纱

汹涌的大海，耀眼的雷电，令人窒息的岩浆开裂和巨大的蘑菇森林.在法国作家凡尔纳写的《地心游记》中，地球内部是一个五彩缤纷的幻想世界。事实上，科学研究表明，地核并不是凡尔纳想象的中空结构。

地球大约有46亿岁了。随着科技的进步，人类可以上天入海，但“入地”依然困难重重。几千年来，人类的设备都无法穿透地壳。受限于观测数据的缺乏，人们对地核的结构和性质的认识非常有限。

随着地震学的发展，人们可以利用地震波获取地球内部的信息。1936年，科学家通过观测和分析p波地震穿过地核时形成的阴影区，首次发现了地核的存在。基于对P波和S波资料的分析，人们确立了对地球液态外核和固态内核的基本认知。

当然，如果不是亲眼所见，我们是无法确切知道地核是什么的。不幸的是，不可能向地球深处发射探测器。这就是为什么研究人员在他们的最新研究中专注于计算机模拟。

何宇说地核的密度比纯铁低，所以人们推测地核中有一些轻元素。对于这些潜在的超离子铁合金，前人已经做了大量的研究，但是重元素和轻元素以什么状态共存仍然是个谜。为此，研究团队利用基于量子力学的分子动力学模拟对地核的温度和压力进行了计算和模拟，表明地核并非传统认知中的固态，而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。

所谓超离子态，就是介于固体和液体之间。在超离子状态下，一些离子的运动速度和液体一样快，而另一些则被固定为“骨架”。最新的研究成果引起了相关研究领域专家的关注。一般认为，这是一个非常重要的创新认识，对于了解地球的内核结构，乃至研究整个宇宙的天体内核结构都非常重要。

宇宙天体内核之谜待解

浩瀚的宇宙中有大量的天体。一般来说，天体由于相互吸引和相互自转，可以分为不同层次的天体系统，其中包含地球的天体从小到大依次是地月系、太阳系、银河系、总星系和宇宙。

目前，人类对地月系、太阳系、银河系的了解更多，对整个星系和宇宙的了解较少。那么不同类型的宇宙物体的核心会是什么状态呢？会不会像地球一样是超离子态？对此，何宇解释说，目前人类能够直接探测到的行星内核是有限的。已知的行星核心状态主要是液态和固态，有些天体甚至可能没有核心。至于超离子核，更是少之又少，因为它只有满足温度、压力、组成物质等条件才能形成。

不久前，南京大学物理学院教授孙建等人预言，有超级粒子存在

长期以来，关于天王星、海王星等巨行星的内部物质一直存在诸多争议。目前有两种行星模型：冰巨人和岩石巨人。冰巨人模型可以解释天王星和海王星的磁场，这些磁场与行星的内核密切相关，但这个模型无法解释所有关于它们的观测数据，例如行星大气中的氘比率。岩石巨星模型可以解释氘比，其冰岩比与柯伊伯带天体相似，更容易解释行星起源，但缺乏导电物质解释行星磁场。此外，天王星和海王星之间的核幔边界结构也是一个由来已久的问题。一般认为天王星和海王星的地幔主要由水、氨和甲烷组成，地核是石质的，主要成分是二氧化硅。目前尚不清楚地核与地幔交界处是否有清晰的边界或渐变带。

孙建等人通过晶体结构搜索和第一性原理计算预测了多种硅氧氢化合物，发现二氧化硅-水和二氧化硅-氢两种化合物的超离子态范围正好满足天王星和海王星边界附近的温度和压力条件。研究表明，硅氧氢化合物的超离子相可能是天王星和海王星的重要组成部分。

人类研究天体核心的脚步从未停歇

“事实上，与我们对其他天体内核的了解相比，我们对地球内核的了解还是很多的。地震学仍然是了解地核的主要手段。当然，我们也可以通过高温高压实验和计算模拟来研究一些天体内核的性质，但这个研究难度要大得多。”何宇说，虽然很困难，但人类从未停止探索。

开普勒望远镜的观测数据表明，类地行星在宇宙中非常普遍。因为它们离地球太远了，研究起来非常困难。虽然金星是人类探索的太阳系第一颗行星，但由于在金星上着陆太困难，科学家们已经将目标转向探索火星。

事实上，火星的直径只有地球的一半，体积只有地球的15%，重力只有地球的38%，火星已经处于太阳系可居住带的边缘。因此，研究火星有助于预测类地行星的成分和大气。

何宇说，美国宇航局的洞察号火星探测器

2018年，“洞察号”在火星表面成功着陆，并于2019年4月首次探测到火星地震。与地球上发生的地震相比，火星震动强度显得微不足道，但每次火星震动都能揭示火星内部构造，通过研究地震波如何穿过行星的不同层，科学家可以推断不同层的深度和组成。从某种意义上来说，火星震动相当于给火星拍摄了一张X光片，科学家可以通过研究火星地幔和地核之间的深边界反射的地震波，来测量火星地核的大小。

何宇表示，今年美国国家航空航天局将开启对灵神星的探索之旅，这个小行星非常特别，主要由铁镍合金组成，可能是早期行星的核心残骸，“这次探索将确定它是否是行星核心，这对于我们认知地球以及其他行星的核心十分重要。”