在冰巨行星的内部，环境条件远远超出人类日常经验。那里的压力和温度高到一种程度，使得水进入了一种在地球自然环境中根本不会出现的状态。
这种状态被称为“超离子水”。从分类上看，它仍然属于冰，但与我们熟悉的冰完全不同。它不仅处在高温下，还呈现出深色外观，更重要的是，其内部结构和行为方式极为特殊。
长期以来，科学家一直推测，海王星和天王星内部存在大量超离子水，而这种物质可能正是造成两颗行星磁场异常的关键原因。旅行者2号探测器在飞掠这两颗行星时，记录到它们的磁场既不稳定，也与行星自转轴明显错位，这在太阳系中极为罕见。近期，一项发表在《自然通讯》上的研究，通过一系列高难度实验，为这一猜想提供了直接的实验支持。研究表明，超离子水的内部结构远比此前设想的更加混乱，而正是这种混乱，可能导致了异常复杂的行星磁场。
在基础物理和化学教育中，人们通常只接触到物质的几种经典状态：固体、液体、气体以及等离子体。但在极端高压和高温条件下，水可以进入超离子相。这种状态下，物质在外观上类似固体，内部却呈现出一种特殊的晶体网络：氧原子固定在晶格位置上，而氢原子则在其中自由移动，并携带电荷。
过去的理论模型认为，这种氧原子晶格应该是高度有序的，结构类似体心立方或面心立方晶体，边界清晰、排列规整。然而，这种“理想晶体”的假设始终无法很好解释冰巨行星那种紊乱、不对称的磁场特征。因此，研究人员决定通过实验直接验证这些理论是否成立。
真正的挑战在于，超离子水极难在实验室中制造。它只在极端条件下短暂存在，一旦压力或温度稍有下降，就会立刻转变为更稳定的水或冰形态。为此，研究团队使用了钻石铁砧装置，将极少量的水样夹在两块钻石之间，使压力提升至约180万倍地球大气压。随后，他们利用脉冲激光将样品瞬间加热至约2500开尔文，成功在实验室中制造出了超离子水。
由于这种状态维持时间极短，研究人员必须在压力和温度达到峰值后的极短时间内完成观测。他们采用了X射线衍射技术，对样品内部原子排列进行“快照式”分析。结果却出乎意料：实验数据并没有呈现出整齐有序的晶体结构，而是显示出多种晶格形式混杂共存。
分析显示，样品中同时出现了面心立方结构，以及一种被称为六方密堆积的排列方式，甚至在不同层之间存在明显差异。最初，研究人员怀疑这些结果可能源自实验环境或设备噪声。为排除干扰，他们在德国的另一台直线加速器上重复了实验。然而，新数据与此前结果高度一致，证明这种结构上的混乱并非误差，而是超离子水本身的真实特性。
随着实验条件的进一步调整，研究团队还发现，在更高压力下，不同晶格结构会相互重叠，并不存在清晰的相变边界。这与传统晶体在不同结构之间“非此即彼”的转变模式明显不同，也进一步说明超离子水是一种极其复杂的物质。
当然，需要强调的是，这类实验只能在极短时间尺度内观察超离子水的状态，仍无法完全复制冰巨行星内部那种长期稳定存在的环境。也许在更长时间尺度下，晶格会逐渐趋于稳定；也可能这种结构上的混乱，正是冰巨行星内部长期存在的常态。
尽管如此，这些发现已经为理解海王星和天王星异常磁场提供了新的思路。更有意思的是，虽然人类在地球上几乎不可能自然见到超离子水，但它很可能广泛存在于冰巨行星内部。考虑到这类行星在银河系中数量众多，超离子水或许是宇宙中最常见的水形态之一。
冰巨行星在已发现的系外行星中占据了相当比例。虽然这可能部分源于观测手段更容易发现体积大、轨道明显的天体，但无论如何，这都提醒我们：水这种对地球生命至关重要的物质，在宇宙中远比我们想象的更加多样，也更加陌生。
原文来源：sciencealert（编译 / 整理：olaola）
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