Въпреки привидно спокойния си външен вид, вътрешните процеси на ледени гиганти като Уран и Нептун са изключително хаотични.
Налягания, милиони пъти по-високи от тези на морското равнище на Земята, се комбинират с температури от хиляди градуси, създавайки наистина странни форми на материя.
Сега ново изследване на учени от Института „Карнеги“, публикувано в Nature Communications, описва напълно ново състояние на материята, което може да съществува в тези екстремни условия – „квази-едномерна суперионна“ фаза.
Какво всъщност представляват „ледените“ гиганти
Отдавна е известно, че тези планети не са изградени от обикновен „лед“, както си го представяме на Земята. Вместо това те съдържат гореща, плътна смес от вода, амоняк и метан.
Но възпроизвеждането на условията, които създават тази смес в лаборатория, е почти невъзможно. Това би изисквало налягане от порядъка на терапаскали при достатъчно високи температури, за да се разтопят почти всички известни материали.
Затова учените обикновено разчитат на симулации – по-специално една, известна като „Синтетичен Уран“, която имитира средата на седмата планета от Слънцето, включително налягането и температурата.
Какво се случва с молекулите при екстремни условия
От предишни химични изследвания знаем, че обичайните молекули, като метана, не оцеляват в традиционната си форма. Той се разпада при около 95 гигапаскала, образувайки водородно-богати материали и въглеродни алотропи като диамант.
Но дори този тип симулации имат своите ограничения и започват да се разпадат при още по-високи налягания.
Нов подход: от първи принципи
За да преодолеят този проблем, изследователите използват подход „от първи принципи“, при който квантовата механика изгражда цялата система – доколкото това е възможно в рамките на моделирането.
Според този метод, при налягания над 1100 GPa, въглеродът и водородът образуват стабилно съединение, но с изключително необичайна структура.
Микроскопично „вито стълбище“ от атоми
При тези условия въглеродните атоми се подреждат в твърда, стабилна решетка с формата на хирална спирала – нещо като миниатюрно, усукано вито стълбище.
Най-интересното започва, когато се добави топлина.
Обикновено това би превърнало структурата в течност, позволявайки на атомите да се движат свободно. Но при някои материали, като водата, повишаването на температурата води до странен ефект: част от атомите остават фиксирани в кристална решетка, докато други започват да се движат свободно. Това състояние се нарича суперионно.
Квази-1D суперионна фаза – нещо съвсем ново
Между 1000 и 3000 келвина новото съединение от въглерод и водород навлиза в суперионно състояние, но с важна разлика.
Вместо кислород, както при водата, тук кристалната решетка се изгражда от въглеродни атоми.
Водородните атоми, макар и ограничени от тази структура, показват суперионна дифузия по протежение на спиралното „стълбище“ (по оста z), комбинирана с въртеливо движение в напречната равнина (xy).
С други думи – те могат лесно да „се качват и слизат“ по стълбата, но встрани по-скоро се въртят, отколкото да се придвижват.
Това еднопосочно движение, съчетано с двумерно въртене, кара учените да го определят като хибриден тип дифузионна размерност – първото известно квази-едномерно суперионно състояние.
Какво означава това на практика
Най-осезаемият ефект е, че свойствата на материала стават анизотропни – тоест зависят от посоката, в която се измерват.
Например материалът провежда топлина и електричество много добре по оста на „стълбището“, но значително по-слабо в другите посоки. Въпреки наличието на движещи се водородни атоми (които са положително заредени), електропроводимостта изглежда се доминира от движението на електрони.
Връзка с магнитните полета на Уран и Нептун
В по-голям мащаб това откритие може да помогне да разберем защо магнитните полета на Нептун и Уран са толкова необичайни.
Традиционните модели обясняват наклонените им магнитни полета с предположението, че горещите суперионни „ледове“ провеждат топлина и електричество еднакво във всички посоки.
Но тази нова квази-1D суперионна фаза поставя това предположение под въпрос и може да се окаже по-добро обяснение на наблюдаваните данни.
Само началото на по-голяма картина
Разбира се, простото съединение въглерод-водород е огромно опростяване на сложните химични и термични процеси в недрата на тези планети.
Но самият факт, че вече можем да моделираме и разбираме подобни екзотични състояния на материята, подсказва нещо красиво и малко замайващо – планетарната наука все още има много да ни разкрие за начина, по който работи Вселената.
