Вода глибоко всередині планет на кшталт Урана та Нептуна перебуває в умовах, які кардинально відрізняються від земних. Там панують надзвичайно високі температури й тиск, через що лід набуває незвичайних властивостей. Про це пише Phys.
Який лід існує всередині Урана й Нептуна?
Такий стан називають суперіонним льодом. У ньому атоми кисню утворюють тверду кристалічну структуру, тоді як ядра водню можуть вільно переміщуватися крізь неї, подібно до рідини. Завдяки цьому матеріал здатен проводити електричний струм.
Науковці вже знали про існування суперіонного льоду, однак досі не мали остаточної відповіді щодо того, яку саме кристалічну форму він утворює за різних температур і тиску. Дослідницька група під керівництвом Алексіса Форестьє з французької Комісії з альтернативних джерел енергії та атомної енергії CEA спробувала відтворити ці умови в лабораторії.
Як дослідники створили екстремальні умови?
Для експерименту вчені помістили крихітні зразки льоду між двома надтвердими алмазами в спеціальному пристрої – алмазній ковадловій комірці.
Алмази стискали матеріал до тиску приблизно 230 гігапаскалів. Це більш ніж у 2 мільйони разів перевищує атмосферний тиск на поверхні Землі. Паралельно зразки нагрівали лазерами до температури понад 1 800 кельвінів, що відповідає приблизно 1 527 градусам Цельсія.
Після цього дослідники використали рентгенівську дифракцію на Європейському синхротронному центрі ESRF. Цей метод дозволяє визначити, як саме атоми розташовані всередині матеріалу. Результат виявився несподіваним. За тиску понад 200 гігапаскалів і температури близько 1 800 кельвінів атоми кисню утворювали шестикутну структуру. Вона відома як гексагональна щільно упакована структура, або hcp.
Раніше вважалося, що в таких умовах переважає інша форма – гранецентрована кубічна структура, або fcc. Нові вимірювання показали, що за певних екстремальних параметрів hcp-фаза стає домінантною та замінює кубічну.
Ми повідомляємо про однозначне спостереження нової фази льоду H2O, яка має гексагональну підґратку кисню, – зазначили автори дослідження.
Чому відкриття важливе для планетології?
Результати можуть допомогти науковцям точніше зрозуміти внутрішню будову Урана та Нептуна – двох крижаних гігантів Сонячної системи.
Суперіонний лід розглядають як один із можливих чинників, що впливають на формування незвичайних магнітних полів цих планет. Їхні магнітні поля не схожі на земне: вони мають складну структуру та не так чітко пов'язані з центрами планет.
Електричні властивості суперіонного льоду можуть впливати на рух заряджених частинок і, відповідно, на процеси генерації магнітного поля. Якщо гексагональна та кубічна форми льоду мають різні електричні або механічні характеристики, це може змінити уявлення про те, що відбувається в надрах крижаних гігантів.
Автори роботи зазначають, що наявність мартенситного переходу між fcc- і hcp-структурами в суперіонному режимі теплого щільного льоду може мати наслідки для моделей Урана та Нептуна.
Мартенситний перехід – це зміна кристалічної структури матеріалу без переходу в рідкий стан. У цьому випадку він відбувається під впливом екстремального тиску й температури. Відкриття не означає, що вчені безпосередньо побачили лід усередині цих планет. Дослідники відтворили відповідні умови на Землі та визначили, як вода поводиться за таких параметрів. Надалі ці дані можна використати для вдосконалення комп'ютерних моделей внутрішніх шарів крижаних гігантів.