Обнаружена странная форма льда, которая тает только при очень высоких температурах

Странные вещи происходят внутри планет, где знакомые материалы подвергаются экстремальному давлению и нагреву.

Атомы железа, вероятно, танцуют внутри твердого внутреннего ядра Земли, а горячий, черный, тяжелый лед – это одновременно твердое тело и жидкость. в то же время — вероятные формы внутри богатых водой газовых гигантов, Урана и Нептуна.

Пять лет назад ученые впервые воссоздали этот экзотический лед, названный суперионным льдом, в лабораторных экспериментах; и четыре года назад они подтвердили его существование и кристаллическую структуру.

Только в прошлом году исследователи из нескольких университетов США и лаборатории Стэнфордского центра линейных ускорителей в Калифорнии (SLAC) открыли новую фазу суперионной энергии. лед.

Их открытие углубляет наше понимание того, почему Уран и Нептун имеют такие необычные магнитные поля с несколькими полюсами.

Глядя на нашу земную среду, вам можно было бы простить такое предположение. Вода — это простая молекула в форме локтя, состоящая из одного атома кислорода, связанного с двумя атомами водорода, которые занимают фиксированное положение при замерзании воды.

Суперионный лед удивительно отличается, но, тем не менее, он может быть одним из самых Во Вселенной имеется множество форм воды, которые, как предполагается, заполняют не только недра Урана и Нептуна, но и подобных экзопланет.

Эти планеты имеют экстремальное давление, в 2 миллиона раз превышающее земное, а недра такие же горячие, как поверхность Солнца – вот где вода становится странной.

В 2019 году ученые подтвердили то, что физики предсказали еще в 1988 году: структура, в которой атомы кислорода в суперионном льду заперты в твердой кубической решетке, а ионизированные атомы водорода высвобождаются, проходя через эту решетку, как электроны через металлы.

Это придает суперионному льду его проводящие свойства. Он также повышает температуру плавления, так что замороженная вода остается твердой при высоких температурах.

В этом последнем исследовании физик Арианна Глисон из Стэнфордского университета и ее коллеги бомбардировали тонкие полоски воды, зажатые между двумя слоями алмаза, несколько невероятно мощных лазеров.

Последовательные ударные волны подняли давление до 200 ГПа (2 миллиона атмосфер), а температуру примерно до 5000 К (8500 °F) – выше, чем температуры экспериментов 2019 года, но при более низких температурах. давления.

«Недавние открытия богатых водой экзопланет, подобных Нептуну, требуют более детального понимания фазовой диаграммы [воды] в условиях давления и температуры, соответствующих их планетарным недрам», — объясняют Глисон и коллеги в своей работе. их статья от января 2022 года.

Рентгеновская дифракция затем выявила кристаллическую структуру горячего и плотного льда, несмотря на то, что условия давления и температуры сохранялись лишь в течение доли секунды.

Полученные дифракционные картины подтвердили, что кристаллы льда на самом деле представляют собой новую фазу, отличную от суперионного льда, наблюдавшегося в 2019 году. Недавно обнаруженный суперионный лед Ice XIX имеет объемно-центрированную кубическую структуру и повышенную проводимость по сравнению со своим предшественником Ice XIX, созданным в 2019 году. XVIII.

Здесь важна проводимость, поскольку движущиеся заряженные частицы генерируют магнитные поля. Это основа теории динамо, которая описывает, как взбалтывание проводящих жидкостей, таких как мантия Земли или внутри другого небесного тела, порождает магнитные поля.

Если взять больше внутренностей ледяного гиганта, похожего на Нептуна, если бы по направлению к ядру этой планеты было два суперионных слоя с разной проводимостью, как у Глисона и коллеги предполагают, что Нептун может содержать, тогда магнитное поле, создаваемое внешним слоем жидкости, будет взаимодействовать с каждым из них по-разному, делая ситуацию еще более странной.

Глисон и его коллеги приходят к выводу, что повышенная проводимость слоя суперионного льда, подобного льду XIX, будет способствовать образованию шатких, многополярных магнитных полей, подобных тем, которые исходят от Урана и Нептуна.

Если это так, то это будет удовлетворительный результат более чем через 30 лет после того, как космический зонд НАСА «Вояджер II», запущенный в 1977 году, пролетел мимо двух ледяных гигантов нашей Солнечной системы и измерили их очень необычные магнитные поля.

Исследование было опубликовано в Scientific Reports.