Странный черный суперионный лед, который мог существовать внутри других планет

Ученые использовали алмазы и луч яркого рентгеновского излучения, чтобы воссоздать условия глубоко внутри планет, и обнаружили новую фазу воды, названную «суперионным льдом». (Изображение Виталия Пракапенко.)

Этот тип льда образуется при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, например, глубоко внутри таких планет, как Нептун и Уран. Раньше суперионный лед можно было увидеть лишь на мгновение, когда ученые послали ударную волну через каплю воды, но в новом исследовании, опубликованном в Природа Физика, ученые нашли способ надежно создавать, поддерживать и исследовать лед.

«Это было сюрпризом – все думали, что эта фаза не появится, пока вы не окажетесь под гораздо более высоким давлением, чем то, где мы ее впервые обнаружили», – сказал соавтор исследования Виталий Пракапенка, профессор-исследователь Чикагского университета и специалист в области лучевых исследований в Advanced Photon. Источник (APS), научный центр Министерства энергетики США (DOE), пользовательский объект Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Но мы смогли очень точно отобразить свойства этого нового льда, который представляет собой новую фазу материи, благодаря нескольким мощным инструментам».

Даже когда люди заглянули назад во времени к началу Вселенной – и к мельчайшим частицам, из которых состоит вся материя, – мы все еще не понимаем, что именно таится глубоко внутри Земли, не говоря уже о планетах-братьях в нашей солнечной система. Ученые выкопали всего около семи с половиной миль под поверхностью Земли, прежде чем оборудование начало таять из-за сильной жары и давления. В этих условиях горная порода ведет себя больше как пластик, и структуры даже основных молекул, таких как вода, начинают сдвигаться.

«Мы смогли очень точно отобразить свойства этого нового льда, который представляет собой новую фазу материи, благодаря нескольким мощным инструментам», – говорит Виталий Пракапенко из Чикагского университета.

Поскольку мы не можем добраться до этих мест физически, ученые должны обратиться в лабораторию, чтобы воссоздать условия экстремальной жары и давления.

Пракапенка и его коллеги используют APS, массивный ускоритель, который разгоняет электроны до чрезвычайно высоких скоростей, близких к скорости света, для генерации ярких пучков рентгеновских лучей. Они сжимают образцы между двумя кусками алмаза – самым твердым веществом на Земле – чтобы имитировать сильное давление, а затем стреляют лазерами через алмазы, чтобы нагреть образец. Наконец, они посылают пучок рентгеновских лучей через образец и собирают воедино расположение атомов внутри в зависимости от того, как рентгеновские лучи рассеиваются от образца.

Когда они впервые провели эксперименты, Пракапенко увидел показания структуры, которые сильно отличались от того, что он ожидал. Он подумал, что что-то пошло не так, и произошла нежелательная химическая реакция, которая часто случается с водой в таких экспериментах. «Но когда я выключил лазер и образец вернулся к комнатной температуре, лед вернулся в исходное состояние», – сказал он. «Это означает, что это было обратимое структурное изменение, а не химическая реакция».

Глядя на структуру льда, команда поняла, что впереди новый этап. Они смогли точно отобразить его структуру и свойства.

«Представьте себе куб, решетку с атомами кислорода по углам, соединенными водородом», – сказал Пракапенко. «Когда он трансформируется в эту новую суперионную фазу, решетка расширяется, позволяя атомам водорода перемещаться, в то время как атомы кислорода остаются на своих местах. Это похоже на твердую кислородную решетку, сидящую в океане плавающих атомов водорода ».

Это имеет последствия для поведения льда: он становится менее плотным, но значительно темнее, поскольку по-разному взаимодействует со светом. Но полный спектр химических и физических свойств суперионного льда еще предстоит изучить. «Это новое состояние материи, поэтому он в основном действует как новый материал, и он может отличаться от того, что мы думали», – сказал Пракапенко.

Полученные данные также стали неожиданностью, потому что, хотя ученые-теоретики предсказывали эту фазу, большинство моделей полагали, что она не появится, пока вода не будет сжата до давления более 50 гигапаскалей (примерно таких же, как условия внутри ракетного топлива, когда оно взрывается для взлета). ). Но эти эксперименты проводились всего на 20 гигапаскалей. «Иногда тебе преподносят такие сюрпризы», – сказал Пракапенко.

Но отображение точных условий, в которых возникают различные фазы льда, важно, среди прочего, для понимания образования планет и даже для того, где искать жизнь на других планетах. Ученые считают, что аналогичные условия существуют в недрах Нептуна и Урана, а также на других холодных каменистых планетах, подобных им, в других частях Вселенной.

Свойства этих льдов играют роль в магнитных полях планеты, которые оказывают огромное влияние на ее способность содержать жизнь: мощные магнитные поля Земли защищают нас от вредного поступающего излучения и космических лучей, в то время как поверхности бесплодных планет Марс и Меркурий являются непроницаемыми для окружающей среды. незащищенный. Знание условий, влияющих на формирование магнитного поля, может помочь ученым в поисках звезд и планет в других солнечных системах, в которых может быть жизнь.

Пракапенка сказал, что есть еще много аспектов, которые нужно исследовать, например, проводимость и вязкость, химическая стабильность, что меняется, когда вода смешивается с солями или другими минералами, как это часто бывает глубоко под поверхностью Земли. «Это должно стимулировать гораздо больше исследований», – сказал он.