这里的水可以变成超强的酸，然后把碳变成钻石

1986年1月，美国航空航天局（NASA）的“旅行者2号”（Voyager 2）探测器首次路过了天王星。1989年8月，在离开太阳系的途中，它又飞越了海王星，并为人类带来了这颗行星的第一张特写照片。而在此之后，一直到今天，都再也没有航天器造访过海王星。

或许是遥远的距离让天王星和海王星笼罩着一层神秘感，在关于这两颗行星的诸多想象中，最浪漫的一个或许是在这些巨大行星的深处，可能下着一场旷日持久的“钻石雨”。

天王星和海王星被称为气态巨行星，这个名字源于它们的组成成分：在天王星和海王星内部，构成它们流体地幔的主要成分是水、氨和甲烷。早在旅行者2号飞掠天王星和海王星，甚至早在它起飞之前，科学家就已经猜测过 “钻石雨”的存在。原理非常简单：随着深入行星的内部，物质会变得越来越高温和稠密。根据初步的计算，在这些行星的深处，强大的压力能将甲烷分子分解，让碳原子释放出来。随后，这些碳原子相互结合，形成长链结构，再进一步相互挤压，就能排列成钻石晶体的结构。

由于这些钻石结晶密度很高，它们会穿过超高压的地幔，坠向行星的内核。在这个过程中，它们还会被过高的温度再次汽化并上升，如此循环往复，便形成了这场发生在行星内部的钻石雨——尽管我们可能很难有机会挖到这些钻石了。

塑料变成钻石

想要验证“钻石雨”的理论，除了把航天器送入天王星和海王星的内部，还可以尝试在实验室里模拟出天王星和海王星内部的环境。2024年，美国加利福尼亚州SLAC国家加速器实验室带领团队在位于德国的欧洲X射线自由电子激光器上通过实验发现，“钻石雨”形成所需的压力和温度条件可能比之前认为的更低，并把相关研究结果发表在了《自然·天文学》（Nature Astronomy）上。

研究者使用了一种名为金刚石压砧（DAC）的精密设备。这个装置的核心是两颗顶对顶放置的金刚石——也就是钻石。拧紧螺丝，两颗钻石的尖端可以对夹在中间的样品施加超乎想象的压力。再把样品暴露在高能X射线中，从而实现加热，一个微型的“行星内部”就在实验室内出现了。

在这项研究中，团队并没有直接使用甲烷，而是选择了一种更稳定的碳源——聚苯乙烯，也就是常见的泡沫塑料。研究发现，在大约2200摄氏度和19吉帕的条件下（接近天王星和海王星内部浅层的环境），聚苯乙烯就开始结晶形成钻石了。这样的条件虽然听起来依然很严苛，但已经比此前的类似实验中需要的压力值低了很多。

研究者之所以关注这个问题，是因为或许可以解释天王星和海王星特殊的磁场结构——与地球不同，天王星和海王星并不具备对称的磁场。而如果钻石雨可以在更浅的深度形成，那么这些钻石颗粒就拖拽着气体和冰向核心方向下沉，由此可能影响行星的磁场。

超强的酸

而最近，在一项发布于预印本网站arXiv的论文（未经同行评审）中，法国索邦大学的研究团队展示了水在另一种极端环境的状态，即在这种条件下，水也会变成“极端环境”的一部分。

在我们熟悉的条件下，水分子只会发生极为微弱的电离，这让水一直保持在接近中性的状态。但研究者发现，“在超高压与高温环境下，普通水会呈现出非凡的特性——转变为一种极强的酸，我们也把它叫做‘超强酸’，它的酸性可以达到硫酸的数十亿甚至数万亿倍。”法国索邦大学的Flavio Siro Brigiano在接受《新科学家》（New Scientist）的采访时说道。

研究者并没有真的在实验室中模拟出这种极端环境，而是利用机器学习算法，建立了一个高效的计算机模型，来模拟超高压与高温条件下的原子与分子运动及其化学反应。

模拟显示，在1727~2727摄氏度的高温，以及22~69吉帕的极端压力环境下，水分子会发生强烈的电离。此时，在水和甲烷的混合流体中，水的酸性甚至强到可以给甲烷一个质子，让甲烷分子变成CH₅⁺离子。

之所以关注CH₅⁺离子，是因为它的形成会开启一个重要的反应链条：CH₅⁺离子并不稳定，极易释放出H₂分子，由此产生高活性的碳正离子（CH₃⁺），进而驱动烃类的碳链增长，最终使得碳原子按照特定结构排列形成有序的纳米钻石。

这篇文章的作者之一、法国国家科学研究中心的 Arthur France-Lanord 指出，水的这一化学特性或许也能解释天王星和海王星中钻石雨的成因。“更重要的是，”文章中写道，“该研究提出了一个普适的化学反应网络，展示了行星内部和高温高压实验中可能发生的反应过程”

当然，目前还缺少直接实验证据，这也是研究者希望下一步可以进行的工作。他们期待，如果能够在实验室条件下复现这种现象，水的这种神奇特性或许还能带来更多应用。