Гарячий чорний лід може пролити світло на таємницю Нептуна: що ж насправді відбувається?

Вода в ядрах крижаних гігантів переходить у фазу, яка не спостерігається на Землі.

Тиск і температура всередині ядер крижаних гігантів настільки екстремальні, що вода в них переходить у фазу, яка не спостерігається на Землі. Відома як "суперіонна вода", ця форма води являє собою різновид льоду. Але, на відміну від звичайного льоду, він гарячий і чорний, повідомляє Science Alert.

Протягом багатьох років вчені вважали, що аномальні, несиметричні магнітні поля, зафіксовані космічним апаратом "Вояджер-2" під час його прольоту повз Нептун і Уран, зумовлені суперіонною водою в їхніх ядрах. У новому дослідженні Леон Андріамбаріярон та його колеги з Національної прискорювальної лабораторії SLAC і Сорбонни пояснили, як цей лід може генерувати такі незвичайні магнітні характеристики. Виявляється, ситуація виявилась набагато складнішою, ніж багато хто міг припустити.

У навчальних закладах більшість учнів знайомляться з чотирма основними станами матерії: твердим, рідким, газоподібним і плазмовим. Однак при надзвичайно високих тисках і температурах вода може переходити в суперіонну фазу. Цей стан, хоч і нагадує тверде тіло, насправді є формою кристалічної решітки, де атоми кисню формують основу, а атоми водню вільно переміщуються всередині цієї решітки, забезпечуючи електропровідність.

Вчені давно припускали, що решітка атомів кисню в суперіонній воді утворює "ідеальний" кристал, з атомами або в центрі куба - конфігурація, відома як об'ємно-центрований кубічний (ОЦК), - або на гранях куба (гранецентрований кубічний). Обидва варіанти забезпечують чіткі, добре окреслені ребра, які вчені очікують побачити в кристалічній структурі.

Проте ці кристалічні структури не здатні ефективно взаємодіяти з нерегулярним і хаотичним магнітним полем, яке зафіксував "Вояджер-2". Тому науковці вирішили створити експериментальні аналоги цієї незвичайної форми води для перевірки своєї теорії.

Дослідники помістили зразок води між двома ковадлами, виготовленими з найміцнішого матеріалу у Всесвіті, і змогли досягти тиску в 1,8 мільйона атмосфер. Після цього вони піддали зразок впливу імпульсного лазерного світла, що дозволило нагріти його до приблизно 2500 Кельвінів. В результаті цих експериментів їм вдалося отримати суперіонну воду.

Проте, як тільки дослідники зменшували тиск або температуру, кристалічна структура починала руйнуватися. Тому через кілька трильйонних часток секунди після досягнення цих параметрів вони піддавали зразок впливу рентгенівських променів.

Сама решітка являла собою комбінацію розмитих ліній, де в окремих шарах спостерігалася гранецентрована кубічна решітка (ГЦК), а в інших — зовсім інша, відома як гексагональна щільноупакована структура (ГЩУ).

Коли дослідники вперше здійснили свій експеримент у Каліфорнії, отримані ними дані виявилися настільки заплутаними, що вони вирішили, що причина криється в помилках, пов'язаних з навколишнім середовищем. У зв'язку з цим, вони вирішили скористатися іншим прискорювачем у Німеччині, аби позбутися можливих джерел шуму.

Проте результати експерименту виявилися ідентичними. Таким чином, дослідники усвідомили, що стикаються не з артефактом навколишнього середовища, а з справжньою ситуацією.

Під час подальших експериментів з варіаціями тиску й температури науковці виявили, що з підвищенням тиску виникають пересічні решітки. Це спостереження суперечить концепції, яка передбачала наявність чітко визначеної межі переходу, де структура решітки раптово змінювалася б від одного типу до іншого.

Це свідчить про те, що суперіонна вода є надзвичайно складним матеріалом. Вона дійсно може пролити світло на аномальні магнітні поля Урана та Нептуна.

Дослідники раніше висловили думку, що Уран і Нептун не є такими, якими їх традиційно вважали.