Необычные суперионные состояния материи могут находиться внутри Урана и Нептуна

Фото из открытых источников

Гигантские планеты Солнечной системы имеют сложное внутреннее строение, которое до сих пор было трудно точно определить. Внутри Урана и Нептуна мы ожидаем увидеть алмазы, выпадающие в виде осадков, образующих углерод, которые будут падать к центру планеты. Теперь же новые компьютерные модели предполагают, что внутри этих миров может существовать необычное новое состояние материи. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

На основе измерений, проведенных на Земле, и наблюдений с близкого расстояния, полученных космическим аппаратом «Вояджер-2», планетологи полагают, что под богатыми водородом и гелием атмосферными слоями Урана и Нептуна могут существовать слои «горячего льда», расположенные над каменистым ядром. Этот лёд состоит в основном из водяного льда, метана и аммиака, хотя из-за высоких температур и давления может возникнуть какая-то странная фаза материи.

Авторы этого нового исследования провели квантово-физические симуляции того, что произойдет с гидридом углерода — простой молекулой углерода и водорода — в экстремальных условиях: при давлении, почти в 5 миллионов — почти в 30 миллионов раз превышающем атмосферное, и при температурах, обычно наблюдаемых на поверхности Солнца.

Они обнаружили, что возникает суперионный материал с поистине нетрадиционными свойствами. Суперионное вещество — это гибрид твердого и жидкого состояний, где один тип атомов находится в кристаллической решетке, а другой тип атомов перемещается. В данном случае углерод организован в гексагональные структуры, а водород перемещается, но только по спиральной траектории, что делает это состояние квазиодномерным суперионным. 

«Эта недавно предсказанная углеродно-водородная фаза особенно поразительна, потому что движение атомов не является полностью трехмерным», — заявил автор исследования Рональд Коэн из Института Карнеги-Сайн. «Вместо этого водород движется преимущественно по четко определенным спиральным путям, встроенным в упорядоченную углеродную структуру».

Существование такого теоретически предполагаемого состояния материи может иметь серьезные последствия для планет. Оно может повлиять на внутреннюю электропроводность и магнетизм. Магнитное поле Урана, например, представляет собой сложную и запутанную систему. Уран вращается примерно на боку, направляя один полюс, а затем другой на Солнце. Его магнитное поле смещено на 59 градусов и даже не проходит через центр планеты. Может ли суперионная углеродно-водородная фаза помочь объяснить это?

Чтобы понять происхождение магнетизма ледяных гигантов, возможно, потребуется изучить некоторые экзотические и нетрадиционные вещества, находящиеся глубоко внутри них. Это также имеет значение для многих экзопланет. Независимо от того, похожи ли они внешне на наши ледяные гиганты или нет, внутри них может скрываться какое-то неожиданное состояние материи.

«Углерод и водород входят в число наиболее распространенных элементов в материалах планет, однако их совместное поведение в условиях гигантских планет до сих пор далеко не полностью изучено», — заключил автор исследования Конг Лю, также из Института Карнеги-Снайпера.