fbTrack
REKLAMA
REKLAMA

Kosmos

Gorący lód twardy jak żelazo

Wizualizacja superjonowego lodu, gdzie jony wodoru (różowe trajektorie) poruszają się w stałej sieci krystalicznej tlenu.
S. Hamel/M. Millot/J.Wickboldt/LLNL/NI
Naukowcy odtworzyli warunki, w jakich powstaje niezwykła woda występująca w jądrach Urana i Neptuna.

Jeśli komuś wydaje się, że wodę można spotkać jedynie w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym lub gazowym, może być zaskoczony, jak wiele faz może przyjąć zwykłe H2O. Zaobserwowano ich aż 15, a 8 jest opisanych jedynie teoretycznie.

Amerykańscy naukowcy z laboratorium Livermore dokonali przełomu – odtworzyli mało zbadany stan wody zwany superjonowym – znajdujący się prawdopodobnie w jądrach Neptuna i Urana.

Istnienie niezwykłego lodu przewidziano już w 1988 r., ale nikt dotąd nie był w stanie stworzyć takich warunków, jakie panują wewnątrz planet. Gdy temperatura jest bardzo wysoka, a ciśnienie ogromne, atomy tlenu zostają „zamrożone" w sieci krystalicznej, ale wodór porusza się swobodnie. Woda superjonowa to niemolekularny lód – stan pośredni między ciałem stałym a płynem. Co ciekawe, woda w tej postaci jest twarda jak żelazo i wykazuje nadprzewodnictwo.

Oznacza to, że opór elektryczny, zwany rezystancją, spada do zera. Nadprzewodnictwu towarzyszy wypychanie pola magnetycznego. Powstaje więc pytanie, czy istnienie wody superjonowej wewnątrz Neptuna i Urana wyjaśnia zagadkową asymetrię ich nietypowych magnetosfer.

Uderzenia pod ciśnieniem

W 1946 r. Percy Bridgman otrzymał Nagrodę Nobla za stworzenie aparatury do wytwarzania skrajnie wysokich ciśnień. Dzięki temu można było odkryć pięć różnych krystalicznych form lodu. Od tego czasu trwają badania nad zachowaniem H2O w ekstremalnych warunkach.

W artykule opublikowanym w lutym w czasopiśmie „Nature Physics", zespół badawczy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), University of California, Berkeley i University of Rochester dostarczył namacalnych dowodów na istnienie superjonowej fazy wody.

Stosując kompresję wstrząsową, zespół dowiódł, że lód topi się w temperaturze 5000 kelwinów (ponad 4700 stopni Celsjusza), gdy poddany jest ciśnieniu 2 miliony razy większemu niż to, które wywołuje ziemska atmosfera – 200 gigapaskali (GPa).

– Nasze eksperymenty zweryfikowały główne przewidywania dotyczące superjonowego lodu: bardzo wysokie przewodnictwo protonowe/jonowe w ciele stałym o wysokiej temperaturze topnienia – powiedział główny autor badania Marius Millot, fizyk z LLNL. – Nasza praca dostarcza eksperymentalnych dowodów na istnienie lodu superjonowego i pokazuje, że te prognozy nie były spowodowane artefaktami w symulacjach, ale w rzeczywistości uchwyciły niezwykłe zachowanie wody w odpowiednich warunkach. Jest to potwierdzenie najnowocześniejszych symulacji kwantowych.

Umieszczając wodę między diamentami, zespół poddał ją ciśnieniu 2,5 GPa (25 tys. atmosfer) w temperaturze pokojowej, aby wstępnie ścisnąć ją do nietypowej kostki lodu.

Następnie za pomocą lasera Omega-60 LLE wykonano kompresję wstrząsową. Dostarczono 1 nanosekundowy impuls światła UV jednemu z diamentów. To uruchomiło silne fale uderzeniowe o wartości kilkuset GPa, aby jednocześnie skompresować i ogrzać lód.

– Dzięki wstępnej obróbce wody konieczne było mniej ogrzewania wstrząsowego niż w przypadku wody o parametrach otoczenia. Wreszcie mogliśmy osiągnąć przewidywaną stabilność superjonowego lodu – powiedział Millot i dodał, że są to bardzo trudne eksperymenty. Wraz z zespołem spędził około dwóch lat na pomiarach i kolejne dwa, pracując nad metodami analizy danych.

Woda w jądrach planet

Stworzenie superjonowego lodu w warunkach laboratoryjnych wiele wnosi do nauki o planetach, ponieważ Neptun i Uran mogą zawierać ogromną ilość wody w tej właśnie formie. Te gigantyczne planety składają się głównie z mieszaniny amoniaku i metanu oraz 65 proc. wody.

Jeszcze dziesięć lat temu myślano, że ich wnętrze jest płynne. Odkrycie potwierdza nową hipotezę, że jądra Urana i Neptuna posiadają tylko cienką warstwę płynną i gruby „płaszcz" superjonowego lodu.

– Pola magnetyczne dostarczają kluczowych informacji o wnętrzach i ewolucji planet, cieszymy się zatem, że nasze eksperymenty mogą wspierać wyjaśnienie zagadki dziwnych pól magnetycznych Urana i Neptuna – powiedział fizyk i astronom, prof. Raymond Jeanloz, współautor artykułu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. – Intrygujące jest również to, że zamarznięty lód występuje w tych planetach w tysiącach stopni, i na to właśnie zyskaliśmy dowody.

– Następnym krokiem będzie określenie struktury superjonowej sieci tlenowej – powiedziała Federica Coppari, fizyk LLNL i współautor artykułu – Byłoby to bardzo ekscytujące, ponieważ teoretyczne symulacje napotykają na trudności z przewidywaniem rzeczywistej struktury superjonowego lodu wodnego.

W przyszłości zespół planuje zwiększenie wstępnej kompresji lodu i rozszerzenie badań na inne materiały, takie jak hel. Byłyby to analizy bardziej reprezentatywne dla gazowych planet, jak Saturn i Jowisz.

Egzoplanety podobne do Urana i Neptuna są w kosmosie powszechniejsze niż gazowe jowisze. Dlatego też zrozumienie najbliższych nam lodowych gigantów jest ważne. Są przecież przedstawicielami wielkiej rozpowszechnionej klasy planet. ©?

Źródło: Rzeczpospolita
REKLAMA
REKLAMA
REKLAMA
REKLAMA
NAJNOWSZE Z RP.PL
REKLAMA
REKLAMA