在空间冰巨人内部：科学家在小范围内重建物理过程

通过在小范围内重建发生在冰巨行星(如天王星和海王星)内部的物理过程，一种新的计算机模拟方法可以揭示它们目前的结构和过去的进化。

这项研究发表在《自然通讯》上。

一种新的理论方法为模拟冰巨人天王星和海王星的内部铺平了道路，这要归功于对它们内部的水进行的计算机模拟。

该工具由里雅斯特的SISSA和洛杉机的加州大学的科学家开发，最近发表在《自然通讯》上，它允许人们用一种更容易和低成本的方法来分析发生在物理条件下的热过程和电过程，而这些物理条件通常是无法通过实验重现的。

在这项研究中，学者们分析了在极端温度和压力条件下水的导电和导热，例如那些发生在巨型冰行星内部以及它外部的许多外行星。

事实上，研究发生在它们表面下的现象是理解这些天体演化、确定它们的年龄以及阐明它们磁场的几何形状和演化的关键。

讲述数十亿年历史的微观尺度

“氢和氧以及氦是宇宙中最常见的元素。

很容易推断水是许多天体的主要成分之一。

木卫三和欧洲是木星的卫星，土卫二是土星的卫星，它们呈现出冰冷的表面，下面是海洋。

海王星和天王星也可能主要由水组成”，第一位也是最后一位作者费德里科·格拉塞利和斯特凡诺·巴罗尼解释道。

“我们对行星内部的了解”——学者们说——“是基于行星表面和磁场的特征，这些特征本身受其内部结构的物理特征的影响，如能量、质量和电荷通过内部中间层的传输。

这就是为什么我们开发了一种理论和计算方法来计算水在这种天体的相态和条件下的导热率和导电率，从对数百个原子微观动力学的尖端模拟开始，并结合了电子的量子性质，而没有任何进一步的特别近似。

通过模拟几分之一纳秒的原子尺度，我们能够理解在几十亿年的时间尺度上，巨大的质量发生了什么。

冰、液体或超纯水:完全不同的水

在这些行星内层典型的极端温度和压力条件下，学者们分析了水的三个不同相态:冰、液体和超离子。

格拉塞利和巴罗尼解释说:“在如此奇特的自然条件下，我们无法像过去那样想象冰的存在。

”甚至水实际上也是不同的，密度更大，几个分子离解成正离子和负离子，从而带着电荷。

超离子水介于液相和固相之间:H2O分子中的氧原子以晶格形式排列，而氢原子则像带电流体一样自由扩散。

”对水以这三种不同形式产生的热和电流的研究对于阐明许多未解决的问题是必不可少的。

通过热和电的传输来了解过去和现在

两位科学家还表示，“内部电流是地球磁场的基础。

如果我们了解前者是如何流动的，我们就能更多地了解后者。

”不仅如此。

“热传输和电传输系数决定了行星的历史，它是如何形成的，何时形成的，它是如何冷却的。

因此，使用适当的工具(比如我们开发的工具)来分析它们是至关重要的。

特别是，从我们的研究中得出的热传导特性使我们能够假设，冰心的存在可以解释天王星异常低的光度，这是由于从其内部到表面的热流非常低。

”此外，超离子相的电导率远远大于天王星和海王星磁场生成的先前模型中的假设。

由于超离子水被认为是对流流体区域下面致密而缓慢的行星层的主要成分，而对流流体区域正是产生磁场的地方，这一新的证据可能会对两个行星磁场的几何形状和演化的研究产生重大影响。