Незважаючи на зовнішній вигляд, внутрішні процеси льодових гігантів, таких як Уран і Нептун, є надзвичайно хаотичними.
Там тиску в мільйони разів більше, ніж на рівні моря на Землі, поєднуються з температурами в тисячах градусів, що створює досить дивні матеріали.
Нещодавно вчені з Інституту Карнегі опублікували статтю в Nature Communications, в якій описують абсолютно новий стан матерії, що може існувати в цих екстремальних умовах - "квазі-1D суперіонна" фаза.
Вчені давно знають, що ці льодові планети не складаються з нормальних "льодів", як ми можемо їх уявити на Землі. Натомість вони складаються з гарячої, густої суміші води, аміаку та метану.
Однак відтворити умови, які створюють цю суміш у лабораторії, практично неможливо. Це вимагало б террапаскалів тиску при високих температурах, щоб розплавити більшість контейнерів.
Зазвичай дослідники звертаються до симуляцій, щоб вирішити цю проблему, зокрема до однієї, відомої як "Синтетичний Уран", яка імітує середовище 7-ї планети від Сонця, включаючи тиск і тепло.
З попередніх хімічних досліджень ми вже знали, що звичайні молекули, такі як метан, не виживають у своїх традиційних формах. Вони розпадаються приблизно при 95 гігапаскалів, створюючи матеріали, багаті на водень, поряд з алотропами вуглецю, такими як алмаз.
Але навіть цей стиль симуляції має свої недоліки і виходить з ладу при ще вищих тисках.
Щоб виправити цю проблему, стаття підходить до неї з точки зору перших принципів, дозволяючи квантовій механіці системи побудувати все середовище - принаймні настільки, наскільки це можливо змоделювати.
Згідно з цим методом симуляції, при тисках вище 1100 ГПа вуглець і водень формують стабільний сполуку, але з дуже незвичайною структурою.
Атоми вуглецю при цих тисках фіксуються в жорсткій, твердий решітці, що має форму хіральної спіралі - по суті, мікроскопічної, закрученої спіральної сходи.
Але найцікавіша частина відбувається, коли додається тепло. Зазвичай додавання тепла перетворює цю решіткову структуру в рідину, дозволяючи атомам вільно рухатися.
Але в деяких інших матеріалах, таких як вода, підвищення тепла призводить до того, що один набір атомів (в даному випадку кисень) залишається в кристалічному твердому стані, в той час як інший (водень) починає вільно текти. Це відомо як "суперіонний" стан.
При температурах від 1000 до 3000 К новий CH сполука входить у суперіонний стан, але з особливістю. Замість того, щоб кисень формував кристалічну структуру, як це відбувається у воді, ця кристалічна решітка формується з атомів вуглецю.
Атоми водню, хоча й обмежені вуглецевою решіткою, демонструють суперіонну дифузію вздовж спіральної "сходи" (вісі z) в поєднанні з обертальним рухом у поперечній площині (xy).
Цей одновимірний рух з двовимірним обертанням змусив дослідників класифікувати його як гібридний тип "дифузійної вимірності" - перший у світі квазі-1D суперіонний стан.
Все це добре в теорії, але що це означає на практиці? Найбільш помітний вплив полягає в тому, що властивості матеріалу стають анізотропними - тобто вони змінюються в залежності від напрямку, з якого ви їх вимірюєте.
Наприклад, матеріал, здається, добре проводить тепло і електрику по "сходовій" осі, але не так добре в інших двох напрямках. Також, незважаючи на те, що в ньому є рухомі атоми водню (які мають позитивний заряд), електрична провідність, здається, все ще домінує електронами.
На макрорівні це допомагає пояснити теорії про те, чому магнітні поля Нептуна і Урана такі дивні. Звичайні моделі пояснюють їх нахилені магнітні поля, припускаючи, що гарячі, суперіонні льоди проводять тепло і електрику однаково в усіх напрямках.
Але з цим новим квазі-1D суперіонним фазом це припущення ставиться під сумнів і може краще відповідати експериментальним даним, які ми отримуємо з самих планет.
Очевидно, що базовий вуглецево-водневий матеріал є величезним спрощенням складної хімічної та термічної динаміки, що відбувається в ядрах цих світів.
Але той факт, що ми навіть маємо шанс змоделювати і зрозуміти, як деякі з цих матеріалів можуть працювати в реальному світі, показує, що в планетарній науці ще багато чого можна дізнатися про те, як працює всесвіт.
Цікавий факт
Уран і Нептун є найбільш холодними планетами в нашій Сонячній системі, з температурами в їхніх атмосферах, що досягають -224°C.