Ученые воссоздали «суперионный лед», существующий внутри Урана и Нептуна
Структуру льда, образовавшегося в центре таких планет, как Уран и Нептун, воссоздали ученые, используя усовершенствованный источник фотонов, согласно исследованию, опубликованному 14 октября в журнале Nature Physics.
В зависимости от условий, вода может образовывать более десятка различных структур. Теперь ученые добавили в список новую фазу: суперионный лед.
Этот тип льда образуется при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, таких как те, что находятся глубоко внутри таких планет, как Уран и Нептун. Ранее суперионный лед был замечен лишь на короткое мгновение, когда ученые посылали ударную волну через каплю воды, но в новом исследовании ученые нашли способ создавать, поддерживать и исследовать лед.
«Это было неожиданно — все думали, что эта фаза не появится, пока вы не окажетесь под гораздо более высоким давлением, чем там, где мы ее впервые обнаружили, — сказал профессор Чикагского университета Виталий Прокопенко. — Но мы смогли очень точно отобразить свойства этого нового льда, который представляет собой новую фазу материи, благодаря нескольким мощным инструментам».
Поскольку физически невозможно добраться до этих мест, ученые воссоздали условия экстремальной жары и давления в лаборатории. Исследователи использовали 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 кусочками алмаза для имитации интенсивного давления, а затем пропускают лазеры через алмазы, чтобы нагреть образец. Наконец, они посылают пучок рентгеновских лучей через образец и собирают воедино расположение атомов внутри, основываясь на том, как рентгеновские лучи рассеиваются от образца.
«Представьте себе куб, решетку с атомами кислорода по углам, соединенными водородом, — сказал Прокопенко. — Когда он переходит в эту новую суперионную фазу, решетка расширяется, позволяя атомам водорода мигрировать вокруг, в то время как атомы кислорода остаются устойчивыми в своих положениях. Это похоже на твердую кислородную решетку, расположенную в океане плавающих атомов водорода».
Это влияет на поведение льда: он становится менее плотным, но значительно темнее, потому что по-разному взаимодействует со светом. Но полный спектр химических и физических свойств суперионного льда еще предстоит изучить. «Это новое состояние материи, поэтому оно в основном действует как новый материал, и оно может отличаться от того, что мы думали», — сказал Прокопенко.
Результаты оказались неожиданными, потому что ученые полагали, что эта фаза не появится, пока вода не будет сжата до давления более 50 гигапаскалей. Но эти эксперименты проводились только при 20 гигапаскалях.
Отображение точных условий, в которых образуются различные фазы льда, важно, для понимания формирования планет и даже для поиска жизни на других планетах. Ученые полагают, что аналогичные условия существуют в недрах Нептуна и Урана, а также других холодных, скалистых планет, подобных им, в других частях Вселенной.
