天王星與海王星這兩顆太陽(yáng)系邊緣的冰巨星，一直藏著一個(gè)困擾天文學(xué)家數(shù)十年的謎題：

它們的磁場(chǎng)完全不同于地球、木星的規(guī)整偶極場(chǎng)不僅嚴(yán)重偏離行星自轉(zhuǎn)軸，還呈現(xiàn)出復(fù)雜的多極結(jié)構(gòu)。

2026年3月16日發(fā)表在《自然·通訊》上的一項(xiàng)最新研究，從最基礎(chǔ)的物質(zhì)形態(tài)上，為這個(gè)謎題提出了全新的合理解釋：

在千萬(wàn)倍地球大氣壓的極端行星內(nèi)部環(huán)境中，碳與氫這兩種宇宙中最常見的元素，會(huì)形成一種前所未見的準(zhǔn)一維超離子態(tài)，其特殊的定向?qū)щ娞匦�，為行星磁�?chǎng)的異常形態(tài)提供了全新的微觀機(jī)制。

這項(xiàng)研究由卡內(nèi)基科學(xué)研究所劉聰團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京大學(xué)孫建教授團(tuán)隊(duì)共同完成。

團(tuán)隊(duì)結(jié)合第一性原理計(jì)算模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)原子間勢(shì)，還原了500到3000吉帕斯卡（相當(dāng)于500萬(wàn)到3000萬(wàn)倍地球大氣壓）、500到7000開爾文的極端環(huán)境，完整追蹤了碳?xì)潴w系在巨行星內(nèi)部條件下的結(jié)構(gòu)與行為變化。

其中碳?xì)浔?:1的CH化合物，在1100吉帕斯卡以上的壓強(qiáng)下進(jìn)入熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，1100吉帕斯卡以下僅能以亞穩(wěn)態(tài)存在。

過去學(xué)界普遍認(rèn)為，冰巨星內(nèi)部的甲烷在95吉帕斯卡以上的高壓中會(huì)徹底分解，最終形成金剛石與單質(zhì)氫。

但這項(xiàng)新研究卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓強(qiáng)突破1100吉帕斯卡時(shí)，碳與氫并不會(huì)簡(jiǎn)單分離，反而會(huì)形成穩(wěn)定的CH化合物。

這種化合物擁有極為特殊的手性螺旋晶體結(jié)構(gòu)，存在左旋和右旋兩種鏡像形態(tài)：

碳原子通過sp3共價(jià)鍵形成剛性的三維螺旋骨架，氫原子則在骨架的中空通道中，形成獨(dú)立的連續(xù)螺旋鏈，二者之間沒有顯著的化學(xué)鍵結(jié)合，就像兩組互相嵌套、卻互不干擾的螺旋樓梯。

正是這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，催生了全新的準(zhǔn)一維超離子態(tài)。

我們熟知的超離子態(tài)是一種介于固體與液體之間的特殊物態(tài)：

一種原子固定在晶體晶格中保持固態(tài)，另一種原子則在晶格中自由三維擴(kuò)散，呈現(xiàn)出液體般的流動(dòng)性。

而此次發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)一維超離子態(tài)，完全打破了這種常規(guī)認(rèn)知，它是一種介于塑性晶體與常規(guī)超離子態(tài)之間的全新物態(tài)。

模擬結(jié)果顯示，在1000到3000開爾文的核心溫度區(qū)間內(nèi)，CH化合物的碳骨架始終保持穩(wěn)定的固態(tài)，氫原子卻呈現(xiàn)出前所未有的運(yùn)動(dòng)模式：

它們?cè)诖怪庇诼菪S的xy平面內(nèi)做圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（塑性晶體特性），同時(shí)沿著螺旋軸的z方向高速長(zhǎng)程擴(kuò)散（超離子態(tài)特性）。

通俗來說，氫原子就像在螺旋管道里，一邊繞著管道內(nèi)壁轉(zhuǎn)圈，一邊沿著管道飛速前進(jìn)。

它和傳統(tǒng)一維超離子態(tài)的核心區(qū)別在于，傳統(tǒng)一維超離子態(tài)僅能沿單一方向擴(kuò)散，橫向完全無法運(yùn)動(dòng)，而這種新狀態(tài)里，氫原子既能轉(zhuǎn)圈又能直線擴(kuò)散，活動(dòng)方式更靈活，因此被稱為準(zhǔn)一維超離子態(tài)。

這種特殊的運(yùn)動(dòng)模式，讓它擁有了極強(qiáng)的物理各向異性：

沿著螺旋軸方向的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率，遠(yuǎn)高于垂直方向，電流與熱量只會(huì)沿著螺旋通道定向傳輸，且整個(gè)物態(tài)中電子輸運(yùn)占絕對(duì)主導(dǎo)，離子導(dǎo)電的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。

而傳統(tǒng)的行星發(fā)電機(jī)模型，一直默認(rèn)行星內(nèi)部的導(dǎo)電物質(zhì)是各向同性的，這種定向輸運(yùn)特性，恰好為冰巨星異常磁場(chǎng)的形成，提供了此前從未被考慮過的微觀變量。

研究團(tuán)隊(duì)繪制的溫壓相圖顯示，隨著溫度升高，CH化合物會(huì)依次經(jīng)歷固態(tài)、準(zhǔn)一維超離子態(tài)、三維超離子態(tài)，最終變?yōu)榱黧w。

海王星內(nèi)部的溫壓條件，恰好落在三維超離子態(tài)的穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)。

而論文明確指出，天王星、海王星內(nèi)部的壓強(qiáng)無法達(dá)到準(zhǔn)一維超離子態(tài)的穩(wěn)定要求，只有質(zhì)量更大的亞海王星系外行星，內(nèi)部更高的壓強(qiáng)會(huì)讓準(zhǔn)一維超離子態(tài)成為主流物態(tài)。

此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)意義非凡，它不僅填補(bǔ)了碳?xì)潴w系于極端高壓狀態(tài)下物態(tài)研究的空白，更為冰巨星異常磁場(chǎng)的探究提供了嶄新的理論導(dǎo)向，還刷新了我們對(duì)于超離子態(tài)認(rèn)知的邊界。