Новое состояние льда поможет объяснить необычные магнитные поля Урана и Нептуна

Вода в недрах таких планет, как Уран и Нептун, находится в условиях, кардинально отличающихся от земных. Там царят чрезвычайно высокие температуры и давление, из-за чего лед приобретает необычные свойства. Об этом пишет Phys.

Какой лед существует внутри Урана и Нептуна?

Такое состояние называют суперионным льдом. В нем атомы кислорода образуют твердую кристаллическую структуру, тогда как ядра водорода могут свободно перемещаться сквозь нее, подобно жидкости. Благодаря этому материал способен проводить электрический ток.

Ученые уже знали о существовании суперионного льда, однако до сих пор не имели окончательного ответа на вопрос, что за кристаллическая форма у него возникает при различных температурах и давлении. Исследовательская группа под руководством Алексиса Форестье из французской Комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии CEA попыталась воссоздать эти условия в лаборатории.

Как исследователи создали экстремальные условия?

Для эксперимента ученые поместили крошечные образцы льда между двумя сверхтвердыми алмазами в специальном устройстве – алмазной наковальне.

Алмазы сжимали материал до давления примерно 230 гигапаскалей. Это более чем в 2 миллиона раз превышает атмосферное давление на поверхности Земли. Параллельно образцы нагревали лазерами до температуры свыше 1 800 кельвинов, что соответствует примерно 1 527 градусам Цельсия.

После этого исследователи применили рентгеновскую дифракцию в Европейском синхротронном центре ESRF. Этот метод позволяет определить, как именно атомы расположены внутри материала. Результат оказался неожиданным. При давлении свыше 200 гигапаскалей и температуре около 1 800 кельвинов атомы кислорода образовывали шестиугольную структуру. Она известна как гексагональная плотноупакованная структура, или hcp.

Ранее считалось, что в таких условиях преобладает другая форма – гранецентрированная кубическая структура, или fcc. Новые измерения показали, что при определенных экстремальных параметрах hcp-фаза становится доминирующей и заменяет кубическую.

"Мы сообщаем о однозначном наблюдении новой фазы льда H₂O, которая имеет гексагональную подрешетку кислорода", – отметили авторы исследования.

Почему это открытие важно для планетологии?

Результаты могут помочь ученым точнее понять внутреннее строение Урана и Нептуна – двух ледяных гигантов Солнечной системы.

Суперионный лед рассматривается как один из возможных факторов, влияющих на формирование необычных магнитных полей этих планет. Их магнитные поля не похожи на земное: они имеют сложную структуру и не так четко связаны с центрами планет.

Электрические свойства суперионного льда могут влиять на движение заряженных частиц и, соответственно, на процессы генерации магнитного поля. Если гексагональная и кубическая формы льда обладают различными электрическими или механическими характеристиками, это может изменить представления о том, что происходит в недрах ледяных гигантов.

Авторы работы отмечают, что наличие мартенситного перехода между fcc- и hcp-структурами в суперионном режиме теплого плотного льда может иметь последствия для моделей Урана и Нептуна.

Мартенситный переход – это изменение кристаллической структуры материала без перехода в жидкое состояние. В данном случае он происходит под воздействием экстремального давления и температуры. Открытие не означает, что ученые непосредственно увидели лед внутри этих планет. Исследователи воссоздали соответствующие условия на Земле и определили, как вода ведет себя при таких параметрах. В дальнейшем эти данные можно использовать для совершенствования компьютерных моделей внутренних слоев ледяных гигантов.