Naukowcy znajdują dziwny czarny „superjonizowany lód”, który może istnieć wewnątrz innych planet

Korzystając z zaawansowanego źródła fotonów, naukowcy odtworzyli strukturę lodu powstałego w centrach planet takich jak Neptun i Uran.

Każdy wie o lodzie, cieczy i parze, ale w zależności od warunków woda może w rzeczywistości tworzyć kilkanaście różnych struktur. Naukowcy dodali teraz do listy nowy etap: super lód jonowy.

Ten rodzaj lodu jest bardzo uformowany wysokie temperatury oraz ciśnienia, takie jak te występujące w głębinach planet takich jak Neptun czy Uran. Super lód był wcześniej widoczny tylko w krótkiej chwili, gdy naukowcy wysłali falę uderzeniową przez kroplę wody, ale w nowym badaniu opublikowanym w Fizyka PrzyrodyNaukowcy znaleźli niezawodny sposób na tworzenie, przechowywanie i badanie lodu.

Współautor badania, Vitali Prakapenka, profesor Uniwersytetu Chicago i radiolog w Advanced Photon Source (APS), placówce użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii USA (DOE) w Narodowym Laboratorium Argonne Departamentu Energii, powiedział. „Ale dzięki kilku potężnym narzędziom byliśmy w stanie bardzo dokładnie odwzorować właściwości tego nowego lodu, który tworzy nową fazę materii”.

Nawet gdy ludzie cofali się w czasie, do początku wszechświata – do najmniejszych cząstek, z których składa się cała materia – nadal nie rozumiemy dokładnie, co leży głęboko w Ziemi, nie mówiąc już o siostrzanych planetach naszego Układu Słonecznego. Naukowcy wykopali tylko około siedmiu i pół mili pod ziemią, zanim sprzęt zaczął się topić z powodu intensywnego ciepła i ciśnienia. W tych warunkach skały zachowują się jak plastik, a podstawowe struktury molekularne, takie jak woda, zaczynają się przekształcać.

„Byliśmy w stanie bardzo dokładnie odwzorować właściwości tego nowego lodu, który tworzy nową fazę materii, dzięki kilku potężnym narzędziom” – mówi Vitaly Brakabenka z University of Chicago.

Ponieważ nie możemy fizycznie uzyskać dostępu do tych miejsc, naukowcy muszą zwrócić się do laboratorium, aby odtworzyć ekstremalne warunki cieplne i ciśnieniowe.

Prakabenka i współpracownicy używają APS, masywnego akceleratora, który napędza elektrony do bardzo dużych prędkości zbliżonych do prędkości światła, aby generować niezwykłe wiązki promieni rentgenowskich. Wciskają swoje próbki między dwa diamenty – najtwardszy materiał na Ziemi – aby zasymulować ekstremalne ciśnienia, a następnie wystrzeliwują lasery w diament, aby ogrzać próbkę. Na koniec wysyłają wiązkę promieni rentgenowskich przez próbkę i razem zestawiają układ atomów wewnątrz na podstawie tego, jak promienie rentgenowskie są rozpraszane z próbki.

Kiedy po raz pierwszy przeprowadzili eksperymenty, Prakapenka zobaczył odczyty struktury, które znacznie różniły się od tego, czego się spodziewał. Uważał, że coś poszło nie tak i doszło do niepożądanej reakcji chemicznej, która często występuje z wodą w takich eksperymentach. „Ale kiedy wyłączyłem laser, a próbka wróciła do temperatury pokojowej, lód powrócił do swojego pierwotnego stanu” – powiedział. „Oznacza to, że była to odwracalna zmiana strukturalna, a nie reakcja chemiczna”.

Przyglądając się strukturze lodu, zespół zdał sobie sprawę, że nowy etap jest w ich rękach. Potrafili dokładnie określić jego strukturę i właściwości.

„Wyobraź sobie sześcian, jego kratę atomy tlenu „Pod kątami związanymi z wodorem”, powiedział Brakabenka. Kiedy przekształca się w nową fazę superatomową, sieć rozszerza się, umożliwiając atomom wodoru poruszanie się, podczas gdy atomy tlenu pozostają nieruchome w swoich pozycjach. To trochę jak stała sieć tlenowa w oceanie pływających atomów wodoru. „

Ma to konsekwencje dla zachowania lodu: staje się mniej gęsty, ale zauważalnie ciemniejszy, ponieważ inaczej reaguje na światło. Jednak pełny zakres chemicznych i fizycznych właściwości lodu nadjonowego pozostaje do zbadania. „To nowy stan materii, więc zasadniczo działa jak nowa materia i może być inny niż myśleliśmy” – powiedział Brakabenka.

Wyniki były również zaskakujące, ponieważ choć teoretycy spodziewali się tego etapu, większość modeli uważała, że ​​nie pojawi się on, dopóki woda nie zostanie sprężona do ciśnienia przekraczającego 50 gigapaskali (mniej więcej takie same warunki w paliwie rakietowym, gdy wybucha do startu). Ale te eksperymenty były tylko przy 20 GPa. „Czasami wręcza się wam takie niespodzianki” – powiedział Brakabenka.

Ale określenie dokładnych warunków, w jakich występują różne fazy lodowe, jest ważne między innymi dla zrozumienia powstawania planet, a nawet tego, gdzie szukać życia na innych planetach. Naukowcy uważają, że we wnętrzu Neptuna i Urana oraz na innych zimnych i skalistych planetach panują podobne warunki, jak wszędzie we wszechświecie.

Właściwości tego lodu odgrywają rolę w polach magnetycznych planety, które mają znaczący wpływ na jej zdolność do życia: silne pola magnetyczne Ziemi chronią nas przed nadchodzącym promieniowaniem i szkodliwym promieniowaniem kosmicznym, a suche powierzchnie Marsa i Merkurego chronią nas . otwarty. Poznaj wpływające okoliczności pole magnetyczne Kompozycja może pomóc naukowcom w poszukiwaniu gwiazd i planet w innych układach słonecznych, w których może istnieć życie.

Brakabenka powiedział, że istnieje wiele aspektów do zbadania, takich jak przewodność i lepkość, stabilność chemiczna, co się zmienia, gdy woda miesza się z solami lub innymi minerałami oraz sposób, w jaki często zachowuje się głęboko pod powierzchnią Ziemi. „To powinno stymulować więcej badań” – powiedział.