RW Space

Внутри ядер ледяных планет-гигантов давление и температура настолько экстремальны, что находящаяся там вода переходит в фазу, совершенно незнакомую в естественных условиях на Земле.

Известная как «суперионная вода», эта форма воды представляет собой разновидность льда. Однако, в отличие от обычного льда, он на самом деле горячий и черный.

На протяжении десятилетий ученые считали, что суперионная вода в ядре Нептуна и Урана ответственна за дикие, ненаправленные магнитные поля, которые космический корабль «Вояджер-2» видел, проходя мимо них.

По теме: Лед в космосе мог сделать то, что мы считали невозможным

В статье Леона, опубликованной в журнале Nature Communications, была описана серия экспериментов. Андриамбариарихаона и его соавторы из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Сорбонны предоставляют экспериментальные доказательства того, почему именно лед вызывает эти странные магнитные поля – потому что он гораздо более запутан, чем можно было ожидать.

В школе большинство учеников учат четырем фазам материи: твердой, жидкой, газовой и плазменной. Но при чрезвычайно высоких давлениях и температурах вода может существовать в суперионной фазе, которая, хотя и выглядит как твердое вещество, на самом деле представляет собой форму кристаллической решетки. Эта решетка образована атомами кислорода, тогда как атомы водорода свободно движутся по решетке, проводя электричество на своем пути.

Ученые уже давно предположили, что решетка атомов кислорода в суперионной воде образует «идеальный» кристалл с атомами либо в центре куба (конфигурация, известная как объемно-центрированная кубическая форма (BCC)), либо с атомами на гранях куба (гранецентрированная кубическая форма). Оба из них обеспечивают красивые, четко очерченные края, которые ученые ожидают увидеть в кристаллической структуре.

Но эти красивые кристаллические решетки плохо сочетались с комковатым, хаотичным магнитным полем, которое «Вояджер-2» видел, когда проходил мимо наших ледяных гигантов. Поэтому ученые решили, что им необходимо экспериментально проверить эту уникальную форму воды, чтобы проверить, верна ли теория решетки.

Для этого им сначала пришлось создать саму суперионную воду, а это непростая задача. Она существует только при чрезвычайно высоких температурах и давлениях и немедленно превращается в другие, более стабильные формы воды, если какая-либо переменная окружающей среды снижается.

Для достижения такого высокого давления требуется специальный инструмент, известный как алмазная наковальня. Или, точнее, два из них. Проталкивание образца воды между двумя наковальнями, сделанными из самого твердого вещества во Вселенной, позволило экспериментаторам поднять давление до 1,8 миллиона атмосфер.

Затем они обработали образец импульсным лазерным светом, чтобы нагреть его примерно до 2500 Кельвинов. На тот момент им удалось успешно создать образец суперионной воды.

Но как только они снизят давление или температуру, кристаллическая структура распадется. Итак, через несколько триллионных долей секунды после того, как они достигли этих условий, они подвергли образец рентгеновскому излучению.

Дифракция рентгеновских лучей является обычной практикой при изучении кристаллических структур. По сути, это способ делать высокоскоростные снимки положения атомов. Но когда исследователи проанализировали полученные данные, они поняли, что их результаты не очень хорошо согласуются с теорией.

Сама решетка представляла собой смесь размытых линий, где разные слои структуры представляли собой ГЦК, а некоторые на самом деле представляли собой совершенно другую структуру, известную как гексагональная плотноупакованная (HCP).

Когда авторы впервые провели свой эксперимент в Калифорнии, эти беспорядочные данные были настолько запутанными, что побудили их списать это на какую-то экологическую ошибку. Это побудило их заручиться помощью другого линейного ускорителя в Германии, чтобы устранить этот потенциальный источник шума.

Когда результаты экспериментов в Германии оказались такими же, они поняли, что видят настоящую, запутанную правду, а не артефакт окружающей среды.

Продолжая экспериментировать с различными давлениями и температурами, исследователи также поняли, что по мере роста давления появляются некоторые перекрывающиеся решетки. Это противоречило теории о том, что существует очень четкая линия перехода, где структура решетки может защелкнуться между одной структурой и другой.

В конечном счете, все это предполагает, что суперионная вода — очень сложный материал. И эти сложности помогают объяснить, что может происходить с шаткими магнитными полями Нептуна и Урана.

Для ясности: проведение эксперимента, в котором эти материалы существуют всего несколько фемтосекунд, не является идеальным воссозданием недр ледяных планет-гигантов. Возможно, со временем кристаллическая структура приобретет более жесткую структуру. Или, может быть, хаос, который наблюдался в ходе экспериментов, случайным образом продолжается по всей территории самих ледяных гигантов.

Хотя мы никогда не увидим этот тип воды в природе на Земле, тот факт, что он составляет внутреннюю часть планет ледяных гигантов, означает, что эта форма льда на самом деле может быть самым распространенным типом воды в галактике.

Ледяные гиганты составляют значительную часть известных экзопланет, хотя это может быть просто из-за их размера и орбиты, которые легко обнаружить по течению. методы охоты на экзопланеты, а не фактические пропорции существующих экзопланет.

В любом случае, знание того, что вода – вещество, необходимое для жизни на Земле – имеет так много разновидностей в столь многих разных местах, является, по крайней мере, забавным научным фактом.

Эта статья была первоначально опубликована в журнале Universe Today. Прочтите оригинал статьи.