Горячий и черный лед проливает свет на тайну планеты Нептун

В недрах ледяных гигантов нашей Солнечной системы существуют условия, не имеющие естественного аналога на Земле. Давление достигает миллионов атмосфер, а температура поднимается до тысяч Кельвинов.

В такой среде вода ведет себя так, что до недавнего времени это относилось к области теоретической физики, а не к реальным экспериментам, пишет он. НаукаAlert. Она превращается в так называемую суперионную воду — особую форму льда, горячую, электропроводящую и черную для человеческого глаза.

Вода в невообразимой форме

Именно это экзотическое состояние воды на протяжении десятилетий ассоциировалось с одной из величайших загадок Нептуна и Урана. Их магнитные поля хаотичны, сильно наклонены и значительно смещены от геометрического центра планеты.

Когда «Вояджер-2» пролетел мимо них в конце 1980-х годов, он измерил магнитные структуры, которые не соответствовали ни одной простой модели планетарного динамо. Поэтому ученые предположили, что источником этих полей является именно слой суперионной воды в мантии планет.

Долгое время считалось, что суперионная вода имеет относительно упорядоченную кристаллическую структуру. Атомы кислорода должны были образовывать правильную решетку, а атомы водорода должны были свободно перемещаться внутри нее и проводить электрический ток.

Теоретические модели предполагали идеальные кристаллы типа объемноцентрированной или гранецентрированной кубической решетки. Однако такое расположение скорее поддерживает стабильное и симметричное магнитное поле, чем дикую магнитную геометрию, наблюдаемую у ледяных гигантов.

Новые эксперименты, опубликованные группой ученых из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Сорбонны в Париже в журнале Nature Communications, показывают, что реальность значительно сложнее.

Исследователям удалось не только создать суперионную воду, но и напрямую наблюдать ее внутреннюю структуру с помощью дифракции рентгеновских лучей. Для этого им пришлось сжать микроскопический образец воды между двумя алмазными наковальнями до давления примерно 1,8 миллиона атмосфер, а затем нагреть его импульсным лазером до температуры около 2500 Кельвинов.

Созданное таким образом государство просуществовало крайне короткое время. Как только давление или температура упали, материал немедленно распался на более стабильные фазы. Поэтому учёным хватило лишь долей триллионной секунды, чтобы запечатлеть структуру. Несмотря на это, они получили данные, ставящие под сомнение давние идеи.

Кристаллическая сетка не была чистой и однородной. Наоборот, это получилась смесь размытых слоев, чередующихся разных типов расположения, включая плотно прилегающую шестиугольную структуру, вообще не встречавшуюся в оригинальных моделях.

Проясняет странные магнитные поля

Сначала исследователи полагали, что это ошибка измерения или нарушение условий эксперимента. Поэтому те же эксперименты повторили в Европе на другом ускорителе. Однако результаты оказались практически идентичными. Оказывается, суперионная вода по своей природе неупорядочена, и ее внутренняя структура меняется с ростом давления и температуры плавно, а не резко. как предполагалось в старых теориях.

Именно этот внутренний хаос может быть ключом к пониманию магнитных полей Нептуна и Урана. Электропроводящий материал с неоднородной структурой может генерировать локальные токи различной интенсивности и направления, что приводит к возникновению магнитного поля без четкой оси симметрии. Вместо одной доминирующей динамо-машины внутри планеты может действовать клубок более мелких, постоянно меняющихся источников магнетизма.

Однако следует добавить, что лабораторные эксперименты не могут точно смоделировать условия внутри планет, продолжающиеся миллиарды лет. Не исключено, что в долгосрочной перспективе структура суперионной воды частично стабилизируется.

Также возможно, что перманентный хаос – это естественное состояние в глубинах планеты. Только более точные модели и будущие миссии к ледяным гигантам дадут ответ на этот вопрос.

Однако с космической точки зрения это открытие еще интереснее. Хотя суперионная вода не встречается на Земле в природе, она может быть самой распространенной формой воды во Вселенной.

Ледяные гиганты составляют значительную часть известных экзопланет, и вода в крайних формах, таким образом, оказывается универсальной частью планетных систем. Даже обычная молекула H₂O в глубинах космоса приобретает свойства, которые еще несколько лет назад мы считали невозможными.

Читайте больше из категории: Новости