Под сокрушительным давлением далёких планет лёд ведёт себя странным образом

Фото из открытых источников

Вода под давлением, в миллион раз превышающим давление автомобильной шины, утратила свою кубическую симметрию, и этот результат указывает на недра Урана и Нептуна. Результаты исследования были опубликованы в журнале Communications Chemistry.

Если достаточно сильно сжать большинство твердых тел, их атомы образуют более плотные и упорядоченные структуры. Но водяной лед не всегда подчиняется этому правилу. Под огромным давлением водяной лед утратил свою кубическую симметрию и образовал менее упорядоченную кристаллическую структуру.

Группа исследователей под руководством Ашкана Саламата из Университета Невады в Лас-Вегасе обнаружила, что изменение составляет примерно 222 гигапаскаля, плюс-минус 12. Это находится в пределах диапазона давлений, ожидаемых внутри богатых водой слоев Урана и Нептуна.

Эти эксперименты проводились при комнатной температуре, которая намного ниже температуры внутри этих планет, на что сами авторы указывают.

«Вода, находящаяся за пределами земных условий, ведет себя гораздо сложнее, чем мы когда-либо могли себе представить», — сказал Саламат. «Удивительно, как вода может вести себя под давлением».

Лед в морозильной камере — это лишь одно из многих скоплений молекул воды. В лабораторных условиях было измерено или предсказано с помощью компьютеров более 20 форм льда, и этот список постоянно пополняется. Большинство из них существуют при умеренном давлении и температуре ниже комнатной.

Под воздействием экстремального давления атомы водорода смещаются в положения, находящиеся посередине между соседними атомами кислорода. Примерно на 50 гигапаскалей каждый атом водорода располагается между двумя атомами кислорода, и кристалл принимает простую кубическую форму, которую физики называют льдом-X.

Ранние компьютерные модели предсказывали, что лед-X в конечном итоге деформируется, приняв менее симметричную структуру, и более поздние модели подтвердили это. Некоторые исследователи оценили изменение примерно в 300 гигапаскалей, а собственные расчеты команды дали значения от 220 до 350 в зависимости от используемого метода.

Никто этого не измерял. Лед слабо рассеивает рентгеновские лучи, а образцы при таких давлениях очень малы.

Команда загрузила жидкую воду в крошечную камеру, вырезанную в тонком кольце из рения. Затем они сжали его между плоскими кончиками двух алмазов. Было подготовлено пять таких ячеек.

Перед сильным сжатием каждый образец подвергался прессованию до 20–50 гигапаскалей и нагревался лазером до температуры примерно от 1000 до 1200 °C. Растопление и повторное замораживание льда превращает его в мелкий порошок, который обеспечивает более четкие рентгеновские снимки.

Рентгеновские лучи поступали из двух установок Министерства энергетики США и фокусировались в пятно диаметром один микрометр. Распределенная картина рентгеновских лучей кодирует расположение атомов, то есть то, как кристалл расщепляет свет на определенное множество цветов.

Начиная с глубины 78 гигапаскалей, структура соответствовала кубическому льду типа X. На глубине 222 гигапаскалей появилось второе кольцо. При давлении 230 гигапаскалей, максимально достигнутом в действительности, единственный пик льда-X разделился на две части, чего кубический кристалл не может достичь.

Продавливание между двумя наковальнями никогда не происходит равномерно, а неравномерное напряжение может исказить рентгеновский пик. Команда проверила, можно ли таким образом сымитировать раскол, и оказалось, что нет.

Чтобы идентифицировать два пика как один кубический кристалл при двух разных давлениях, одна часть образца должна находиться при давлении 190 гигапаскалей, а другая — при 262.

Диаметр камеры составляет всего 20-30 микрометров, поэтому объяснить такую большую разницу давлений довольно сложно.

Обе структуры с более низкой симметрией, которые предпочитают компьютерные модели, могут быть подогнаны к новой схеме. Одна из них, называемая Pbcm, включает в себя деформацию кислородного каркаса и является предсказанным основным состоянием. Другой образец, P42/nnm, напоминает куб, вытянутый вдоль одной оси. Он несколько лучше соответствует измеренным пиковым интенсивностям.

Изменение размеров кристалла под воздействием давления лучше соответствует модели Pbcm. Полученные данные не позволяют однозначно определить, какая структура является правильной, поскольку размер выборки был слишком мал, а сигнал слишком слаб.

Внутри Урана и Нептуна вода находится при температуре в тысячи градусов и, как полагают, преобладает в суперионном состоянии. Пролёты космического аппарата Voyager 2 мимо обеих планет дали данные о гравитации, которые соответствуют толстым мантиям из водяного льда, отметили авторы.

Они также написали, что обнаруженная ими фаза с низкой симметрией может быть нестабильной при этих температурах, даже если те же самые искажения влияют на поведение воды в этих условиях.

Исследования, проведенные телескопами Kepler и TESS, показали, что планеты размером между Землей и Нептуном встречаются на удивление часто. Некоторые из них могут содержать огромные запасы воды.

Способ упаковки воды влияет на её плотность, а также на проводимость электричества и тепла, и, следовательно, на модели того, как ледяные гиганты генерируют магнитные поля.

«Из-за расстояния мы не можем проникнуть в кору или атмосферу этих планет, но у нас есть данные, полученные, например, в рамках программы «Вояджер», — сказал Саламат. «У нас есть представление об их составе, давлении и температуре внутри. А в таких лабораториях, как моя, мы можем имитировать химические процессы и экспериментировать с тем, что может происходить внутри этих планет».

В статье остается открытым вопрос, делает ли измененная кислородно-водородная связь воду, находящуюся под высоким давлением, более реакционноспособной по отношению к окружающим материалам или позволяет ей образовывать соединения с избытком водорода. Авторы рассчитали вибрационные характеристики, которые позволили бы отличить Pbcm от P42/nnm.

Любой, кто попытается это сделать, должен будет не допустить растрескивания алмазов под воздействием сфокусированного лазера, а при мощности в 230 гигапаскалей эта команда не получила никакого сигнала.