Горячий черный лед может объяснить загадку Нептуна: что происходит

Давление и температура внутри ядер ледяных гигантов настолько экстремальны, что вода в них переходит в фазу, которая не наблюдается на Земле. Известная как «суперионная вода», эта форма воды представляет собой разновидность льда. Но, в отличие от обычного льда, он горячий и черный, сообщает Science Alert.

В течение десятилетий ученые считали, что именно суперионная вода в ядрах Нептуна и Урана ответственна за необычные, несимметричные магнитные поля, которые наблюдались космическим аппаратом «Вояджер-2» при пролете мимо них. В новом исследовании Леон Андриамбариярон и его соавторы из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Сорбонны рассказали, как этот лед вызывает такие странные магнитные поля. По их словам, все сложнее, чем кто-либо ожидал.

ВАС ЗАИНТЕРЕСУЕТ

«Джеймс Уэбб» впервые сделал снимки полярных сияний на Нептуне

В школе большинство учеников изучают четыре фазы вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Но при чрезвычайно высоких давлениях и температурах вода может существовать в суперионной фазе, которая, хотя и выглядит как твердое вещество, на самом деле представляет собой форму кристаллической решетки. Эта решетка образована атомами кислорода, в то время как атомы водорода свободно перемещаются по решетке, проводя электричество.

Ученые давно предполагали, что решетка атомов кислорода в суперионной воде образует «идеальный» кристалл, с атомами либо в центре куба – конфигурация, известная как объемно-центрированная кубическая (ОЦК) – либо на гранях куба (гранецентрированная кубическая). Оба варианта обеспечивают четкие, хорошо очерченные ребра, которые ученые ожидают увидеть в кристаллической структуре.

Но эти кристаллические решетки плохо сочетаются с неровным, хаотичным магнитным полем, которое наблюдал «Вояджер-2». Поэтому ученые решили воссоздать необычную форму воды, чтобы проверить теорию.

Ученые протолкнули образец воды между двумя наковальнями, изготовленными из самого твердого вещества во Вселенной, и смогли повысить давление до 1,8 миллиона атмосфер. Затем они облучили образец импульсным лазерным светом, чтобы нагреть его примерно до 2500 Кельвинов. В результате им удалось создать суперионную воду.

Но как только ученые понижали давление или температуру, кристаллическая структура разрушалась. Поэтому, спустя несколько триллионных долей секунды после достижения этих условий, они облучали образец рентгеновскими лучами.

Сама решетка представляла собой смесь размытых линий, где у разных слоев структуры была гранецентрированная кубическая структура (ГЦК), а у некоторых — совершенно другая структура, известная как гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Когда авторы впервые провели свой эксперимент в Калифорнии, эти нечеткие данные оказались настолько запутанными, что они списали это на какую-то ошибку окружающей среды. Поэтому они решили использовать другой ускоритель в Германии, чтобы устранить потенциальный источник шума.

Но результаты эксперимента оказались такими же. Поэтому исследователи поняли, что имеют дело не с артефактом окружающей среды, а реальным положением дел.

По мере продолжения экспериментов с различными давлениями и температурами исследователи также заметили, что по мере роста давления появляются перекрывающиеся решетки. Это противоречило теории о существовании четкой линии перехода, где структура решетки резко менялась бы от одной к другой.

Это указывает на то, что суперионная вода – очень сложный материал. И она действительно может объяснить необычные магнитные поля Урана и Нептуна.

Ранее ученые заявили о том, что Уран и Нептун являются не тем, чем считалось до этого.