Οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν περίεργο μαύρο «υπεριονικό πάγο» που θα μπορούσε να υπάρχει στα βάθη άλλων πλανητών

Χρησιμοποιώντας μια προηγμένη πηγή φωτονίων, οι επιστήμονες αναδημιούργησαν τη δομή του πάγου που σχηματίστηκε στο κέντρο των πλανητών ως Ποσειδώνας Και Ουρανός.

Όλοι γνωρίζουν για τον πάγο, το υγρό και τον ατμό – αλλά, ανάλογα με τις συνθήκες, το νερό μπορεί στην πραγματικότητα να σχηματίσει περισσότερες από δώδεκα διαφορετικές δομές. Οι επιστήμονες έχουν προσθέσει τώρα ένα νέο στάδιο στη λίστα: τον ιοντικό υπερ-πάγο.

Αυτός ο τύπος πάγου σχηματίζεται σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, όπως αυτές που βρίσκονται στα βάθη πλανητών όπως ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός. Προηγουμένως, ο σούπερ πάγος εμφανιζόταν μόνο σε μια σύντομη στιγμή Οι επιστήμονες έστειλαν σοκ Μέσα από μια σταγόνα νερού, αλλά σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Φυσική της Φύσης Οι επιστήμονες βρήκαν έναν αξιόπιστο τρόπο για να δημιουργήσουν, να διατηρήσουν και να εξετάσουν πάγο.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν διαμάντια και μια φωτεινή δέσμη ακτίνων Χ για να αναδημιουργήσουν τις συνθήκες βαθιά μέσα στους πλανήτες και βρήκαν μια νέα φάση νερού που ονομάζεται «υπεριονικός πάγος». Credit: Φωτογραφία από τον Vitaly Prakabenka

Ο συν-συγγραφέας της μελέτης Vitaly Prakabenka είπε, Πανεπιστήμιο του Σικάγο Ερευνητής Καθηγητής και Ακτινολόγος στο Advanced Photon Source (APS), μια εγκατάσταση χρηστών του Γραφείου Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας (DOE) των ΗΠΑ στο Γραφείο Επιστημών στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Τμήματος Ενέργειας. «Αλλά καταφέραμε να χαρτογραφήσουμε με μεγάλη ακρίβεια τις ιδιότητες αυτού του νέου πάγου, που σχηματίζει μια νέα φάση της ύλης, χάρη σε πολλά ισχυρά εργαλεία».

Ακόμα κι όταν οι άνθρωποι έχουν κοιτάξει πίσω στο χρόνο στην αρχή του σύμπαντος – μέχρι τα μικρότερα σωματίδια που αποτελούν όλη την ύλη – εξακολουθούμε να μην καταλαβαίνουμε ακριβώς τι βρίσκεται βαθιά στη Γη, πόσο μάλλον στους αδελφούς πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος. Οι επιστήμονες μόνο σκάβουν Περίπου επτάμισι μίλια Κάτω από την επιφάνεια της γης πριν αρχίσει να λιώνει ο εξοπλισμός λόγω της έντονης θερμότητας και πίεσης. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, τα πετρώματα συμπεριφέρονται σαν πλαστικό και βασικές μοριακές δομές όπως το νερό αρχίζουν να μετασχηματίζονται.

«Μπορέσαμε να χαρτογραφήσουμε με μεγάλη ακρίβεια τις ιδιότητες αυτού του νέου πάγου, που σχηματίζει μια νέα φάση της ύλης, χάρη σε πολλά ισχυρά εργαλεία». – Vitaly Prakabenka, Πανεπιστήμιο του Σικάγο.

Δεδομένου ότι δεν μπορούμε να έχουμε φυσική πρόσβαση σε αυτά τα μέρη, οι επιστήμονες πρέπει να στραφούν στο εργαστήριο για να αναδημιουργήσουν τις ακραίες συνθήκες θερμότητας και πίεσης.

Ο Prakabenka και οι συνεργάτες του χρησιμοποιούν το APS, έναν τεράστιο επιταχυντή που οδηγεί τα ηλεκτρόνια σε πολύ υψηλές ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός για να δημιουργήσουν αξιοσημείωτες δέσμες ακτίνων Χ. Συμπιέζουν τα δείγματά τους ανάμεσα σε δύο διαμάντια – το πιο σκληρό υλικό στη Γη – για να προσομοιώσουν ακραίες πιέσεις και στη συνέχεια εκτοξεύουν λέιζερ μέσα από το διαμάντι για να θερμάνουν το δείγμα. Τέλος, στέλνουν μια δέσμη ακτίνων Χ μέσω του δείγματος και μαζί συνθέτουν τη διάταξη των ατόμων μέσα με βάση το πώς οι ακτίνες Χ διασκορπίζονται από το δείγμα.

Όταν έκαναν για πρώτη φορά τα πειράματα, ο Prakabenka είδε αναγνώσεις της δομής που ήταν πολύ διαφορετικές από ό,τι περίμενε. Σκέφτηκε ότι κάτι πήγε στραβά, και υπήρξε μια ανεπιθύμητη χημική αντίδραση, η οποία συμβαίνει συχνά με το νερό σε τέτοια πειράματα. «Όταν όμως απενεργοποίησα το λέιζερ και το δείγμα επανήλθε σε θερμοκρασία δωματίου, ο πάγος επέστρεψε στην αρχική του κατάσταση», είπε. «Αυτό σημαίνει ότι ήταν μια αναστρέψιμη δομική αλλαγή, όχι μια χημική αντίδραση».

Κοιτάζοντας τη δομή του πάγου, η ομάδα συνειδητοποίησε ότι ένα νέο στάδιο βρισκόταν στα χέρια της. Κατάφεραν να προσδιορίσουν με ακρίβεια τη δομή και τις ιδιότητές του.

«Φανταστείτε έναν κύβο, ένα πλέγμα με άτομα οξυγόνου σε γωνίες συνδεδεμένα με το υδρογόνο», είπε ο Brakabenka. “Όταν μεταβαίνετε σε αυτή τη νέα ιοντική υπερφάση, το πλέγμα διαστέλλεται, επιτρέποντας στα άτομα υδρογόνου να κινούνται μέσα ενώ τα άτομα οξυγόνου παραμένουν σταθερά στις θέσεις τους. Είναι σαν ένα στερεό πλέγμα οξυγόνου που κάθεται σε έναν ωκεανό με επιπλέοντα άτομα υδρογόνου. “

Αυτό έχει συνέπειες για το πώς συμπεριφέρεται ο πάγος: γίνεται λιγότερο πυκνός, αλλά αισθητά πιο σκοτεινός επειδή αντιδρά διαφορετικά στο φως. Αλλά όλο το φάσμα των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων του υπεριονικού πάγου μένει να διερευνηθεί. «Είναι μια νέα κατάσταση της ύλης, επομένως ουσιαστικά λειτουργεί ως νέα ύλη και μπορεί να είναι διαφορετική από ό,τι πιστεύαμε», είπε ο Brakabenka.

Τα αποτελέσματα ήταν επίσης εκπληκτικά, επειδή ενώ οι θεωρητικοί περίμεναν αυτό το στάδιο, τα περισσότερα μοντέλα πίστευαν ότι δεν θα εμφανιζόταν έως ότου το νερό συμπιεστεί σε περισσότερα από 50 gigapascal πίεση (περίπου οι ίδιες συνθήκες μέσα στο καύσιμο του πυραύλου όταν εκρήγνυται για απογείωση). Αλλά αυτά τα πειράματα ήταν μόνο στα 20 GPa. «Μερικές φορές σου κάνουν τέτοιες εκπλήξεις», είπε ο Μπρακαμπένκα.

Αλλά ο καθορισμός των ακριβών συνθηκών υπό τις οποίες συμβαίνουν οι διαφορετικές φάσεις πάγου είναι σημαντικός, μεταξύ άλλων, για την κατανόηση του σχηματισμού των πλανητών και ακόμη και για το πού να αναζητήσετε ζωή σε άλλους πλανήτες. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι παρόμοιες συνθήκες υπάρχουν στο εσωτερικό του Ποσειδώνα και του Ουρανού, και σε άλλους ψυχρούς και βραχώδεις πλανήτες όπως και αλλού στο σύμπαν.

Οι ιδιότητες αυτών των πάγων παίζουν ρόλο στα μαγνητικά πεδία του πλανήτη, τα οποία έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην ικανότητά του να φιλοξενεί ζωή: τα ισχυρά μαγνητικά πεδία της Γης μας προστατεύουν από την επιβλαβή εισερχόμενη ακτινοβολία και τις κοσμικές ακτίνες, ενώ οι άνυδρες επιφάνειες πλανητών μας προστατεύουν. Άρης Ο υδράργυρος είναι εκτεθειμένος. Η γνώση των συνθηκών που επηρεάζουν το σχηματισμό του μαγνητικού πεδίου μπορεί να καθοδηγήσει τους επιστήμονες καθώς αναζητούν αστέρια και πλανήτες σε άλλα ηλιακά συστήματα που μπορεί να φιλοξενούν ζωή.

Ο Brakabenka είπε ότι υπάρχουν πολλές γωνίες για εξερεύνηση, όπως η αγωγιμότητα και το ιξώδες, η χημική σταθερότητα, το τι αλλάζει όταν το νερό αναμιγνύεται με άλατα ή άλλα μέταλλα και ο τρόπος που συχνά συμπεριφέρεται βαθιά κάτω από την επιφάνεια της Γης. «Αυτό θα πρέπει να τονώσει περισσότερες μελέτες», είπε.

Αναφορά: «Δομή και ιδιότητες δύο υπεριονικών παγετώνων φάσεων» των Vitaly Brakabenka, Nicholas Holtgreoy και Sergey S. Φυσική της Φύσης.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01351-8

Πραγματοποιήθηκε περίθλαση ακτίνων Χ σύγχροτρον στο GeoSoilEnviroCARS, μια γραμμή δέσμης στην προηγμένη πηγή φωτονίων στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne, και η οπτική φασματοσκοπία πραγματοποιήθηκε στο Ινστιτούτο Επιστήμης Carnegie. Άλλοι συγγραφείς της εργασίας είναι ο Nicholas Holtgraw του CARS και του Carnegie Institute της Ουάσιγκτον, ο Sergey Lobanov του Ινστιτούτου Carnegie και του Γερμανικού Ερευνητικού Κέντρου GFZ για τις Γεωεπιστήμες και ο Alexander Goncharov του Ινστιτούτου Carnegie.