即使在压力极高的条件下，诸如在海王星或天王星的内部，也存在着稳定晶体结构的碳元素（橙色）和氢元素（灰色）。HZDR的研究人员的这一发现披露和引出了关于冰质巨行星内部结构的一些新的可能性。
碳和氢是宇宙中最丰富的两种元素，也是诸如天王星和海王星等冰质巨行星的主要成分。在这些行星外层大气中，碳原子和氢原子以甲烷气体的形式存在，而在行星内部深处，非常高的压力条件可能导致它们形成了更为复杂的碳氢化合物结构。对物质在这类条件下会经历的相位和能生成的结构进行预测，是当今行星研究领域中的一个重要课题。
据美国“科学日报网”（ScienceDaily.com）3月25日消息称，《科学报告》杂志近日刊发的一篇研究论文披露，像天王星和海王星这样的巨型行星所可能含有的游离氢元素要比之前天文学界假设的要少得多。来自德国亥姆霍兹·德累斯顿罗森多夫研究中心（Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf，简称HZDR）的研究人员首先发射激波让其穿透两种不同类型的塑料，以使其温度达到与这些行星内部同等温度和压力条件，然后再使用超强X射线脉冲激光来观察了这些物质的反应与表现。出乎意料的是，其中一种塑料即使在最极端的压力条件下，也能保持其晶体结构完整。再者，由于冰质巨行星内部的组成成分与这种塑料的构成物质相同，所以部分已有的行星数据模型可能会需要调整和重新搭建。
为了更好地了解和研究冰质巨行星的结构，由来自HZDR的Nicholas Hartley博士和Dominik Kraus博士领导的跨国研究小组在实验室中对聚苯乙烯（polystyrene）和聚乙烯（polyethylene）两种塑料进行了研究。这两种物质在化学成分和性质上与行星内部的碳氢化合物相类似。在美国SLAC国家加速器实验室中，科学家们将实验样本暴露在与海王星和天王星地表下一万千米处相类似的环境中——在这个深度，压力几乎和地球地核的一样高，换句话说，相当于地球表面大气压力的200万倍。
在如此高的压力和温度下，研究人员之前认为唯一可能存在的物质结构只有钻石，而实验样品可能会被熔化。相反，在压力达到最高强度时，他们却观察到了若干种稳定的碳氢化合物结构，不过只有聚乙烯样品呈现出了这一结果。Hartly博士解释道：“我们对该实验结果感到非常惊讶。我们没想到在如此极端的条件下，不同的初始状态导致的结果会有如此大的差异。直到最近，随着更明亮的X射线发射源的研发与问世，我们才得以对这类材料进行研究。我们是第一批认为能够取得这一结果的人，而事实证明，也的确如此。”通过将结果数据与之前在较低压力下取得的实验结果进行对比分析，他们认定这是一种稳定的聚乙烯结构。他们曾在压力小80%的情况下看到过这一物质结构，并且当时的温度只能是常温条件。
该研究小组的发现表明，如果要更好地了解冰质巨行星的内部结构和物理特性，那么更好地描述其内部的温度与压力条件以及由此产生的化学物质就具有尤为重要的意义。天王星和海王星的数据模型给出的假设前提是，这些行星所具有的不寻常的磁场可能来自于游离的自由氢原子的作用，而这次实验结果则可能意味着，它们的数量比预期的要少。在未来，研究人员希望对包括氧原子在内的混合物进行实验，以便让他们的实验过程能更好地匹配行星内部发生的化学效应。
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编译：Jonathan
审稿：阿淼
责编：唐林芳
期刊来源：《科学报告》
期刊编号：2045-2322
原文链接：
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190325110246.htm
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