Горячий чёрный лёд может быть причиной сильного магнетизма Нептуна

Фото из открытых источников

Внутри ядер ледяных гигантов давление и температура настолько экстремальны, что находящаяся там вода переходит в состояние, совершенно непривычное для естественных условий на Земле.

Эта форма воды, известная как «суперионная вода», является разновидностью льда. Однако, в отличие от обычного льда, она на самом деле горячая и чёрная.

На протяжении десятилетий ученые считали, что суперионная вода в ядре Нептуна и Урана ответственна за дикие, несимметричные магнитные поля, которые наблюдал космический аппарат Voyager 2 при пролете над ними.

В статье, которую опубликовал в журнале Nature Communications Леон Андриамбариариджаона с соавторами из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Сорбонны, представлен ряд экспериментов, которые дают экспериментальные доказательства того, почему именно лед вызывает эти странные магнитные поля – потому что это гораздо сложнее, чем кто-либо ожидал.

В школе большинство учеников изучают четыре фазы вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Однако 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 перемещаются по ней, проводя электричество.

Ученые давно предполагали, что кристаллическая решетка атомов кислорода в суперионной воде образует «идеальный» кристалл, в котором атомы находятся либо в центре куба — конфигурация, известная как объемно-центрированная кубическая (ОЦК) — либо на гранях куба (гранецентрированная кубическая). Оба варианта обеспечивают четкие, хорошо очерченные ребра, которые ученые ожидают увидеть в кристаллической структуре.

Но эти красивые кристаллические решетки плохо сочетались с неровным, хаотичным магнитным полем, которое наблюдал «Вояджер-2», пролетая мимо наших ледяных гигантов. Поэтому ученые решили экспериментально проверить эту уникальную форму воды, чтобы убедиться в правильности теории кристаллической решетки.

Для этого им сначала пришлось создать саму суперионную воду, что является непростой задачей. Она существует только при чрезвычайно высоких температурах и давлениях и немедленно превращается в другие, более стабильные формы воды, если снижается какой-либо из этих параметров окружающей среды.

Для достижения такого высокого давления необходим специальный инструмент, известный как алмазная наковальня. А точнее, две такие наковальни. Проталкивание образца воды между двумя наковальнями, изготовленными из самого твердого вещества во Вселенной, позволило экспериментаторам повысить давление до 1,8 миллиона атмосфер.

Затем они облучили образец импульсным лазерным светом, чтобы нагреть его примерно до 2500 Кельвинов. На этом этапе им удалось успешно создать образец суперионной воды.

Но как только они понижали давление или температуру, кристаллическая структура разрушалась. Поэтому, спустя несколько триллионных долей секунды после достижения этих условий, они облучали образец рентгеновскими лучами.

Рентгеновская дифракция — распространенный метод изучения кристаллических структур. По сути, это способ получения высокоскоростных снимков атомных положений. Но когда исследователи проанализировали полученные данные, они поняли, что их результаты плохо согласуются с теорией.

Сама кристаллическая решетка представляла собой смесь размытых линий, где разные слои структуры имели гранецентрированную кубическую структуру (ГЦК), а некоторые — совершенно другую структуру, известную как гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Когда авторы впервые провели свой эксперимент в Калифорнии, эти неструктурированные данные оказались настолько запутанными, что они решили списать это на какую-то экологическую ошибку. Это побудило их обратиться за помощью к другому линейному ускорителю в Германии, чтобы устранить этот потенциальный источник шума.

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

В ходе дальнейших экспериментов с различными давлениями и температурами исследователи также обнаружили, что по мере роста давления появляются перекрывающиеся решетки. Это противоречило теории о существовании четкой линии перехода, где структура решетки резко меняется.

В конечном итоге, всё это говорит о том, что суперионная вода — очень сложный материал. И эти сложности помогают объяснить, что может происходить с нестабильными магнитными полями Нептуна и Урана.

Чтобы было понятно, проведение эксперимента, в котором эти материалы существуют всего несколько фемтосекунд, не является идеальным воссозданием недр ледяных гигантов. Возможно, со временем кристаллическая структура стабилизируется и приобретет более жесткую форму. Или, возможно, хаос, который наблюдался в экспериментах, продолжается случайным образом по всей территории самих ледяных гигантов.

Хотя мы никогда не увидим подобную воду в природе на Земле, тот факт, что она составляет недра ледяных гигантов, означает, что этот вид льда может быть самым распространенным типом воды в галактике.

Ледяные гиганты составляют значительную долю известных экзопланет, хотя это может быть просто связано с их размером и орбитой, которые легко определить с помощью современных методов поиска экзопланет, а не с их фактической долей в существующих экзопланетах.

В любом случае, знание того, что вода — вещество, необходимое для жизни на Земле, — существует в таком разнообразии и в таком большом количестве разных мест, по крайней мере, является интересным научным фактом.