Nieuw computationeel onderzoek suggereert dat de binnenkant van Uranus en Neptunus mogelijk een voorheen onbekende vorm van materie bevatten. Wetenschappers hebben een ‘quasi-eendimensionale superionische toestand’ van koolstofhydride geïdentificeerd – een ontdekking die ons begrip van hoe deze massieve planeten functioneren fundamenteel zou kunnen veranderen.
Het mysterie van de ijsreuzen
Uranus en Neptunus worden geclassificeerd als ‘ijsreuzen’, een term die verwijst naar hun samenstelling en niet naar hun temperatuur. In tegenstelling tot de gasreuzen Jupiter en Saturnus, die voornamelijk uit waterstof en helium bestaan, bezitten deze planeten dikke lagen ‘heet ijs’, gelegen tussen hun buitenste atmosfeer en hun rotsachtige kernen.
Deze lagen bestaan uit water, methaan en ammoniak. De omstandigheden diep in deze planeten zijn echter zo extreem dat de standaard chemische regels niet langer van toepassing zijn. Om deze omgevingen te begrijpen, moeten onderzoekers verder kijken dan de traditionele toestanden van materie – vast, vloeibaar en gas – en de exotische fysica onderzoeken die voortkomt uit intense druk en hitte.
Een hybride staat van materie
Met behulp van high-performance computing en machinaal leren simuleerde een team onder leiding van Dr. Cong Liu van het Carnegie Institution for Science het gedrag van koolstofhydride onder omstandigheden die de diepe binnenkant van deze planeten nabootsten. De simulaties waren gericht op:
* Extreme druk: 500 tot 3.000 gigapascal (tot 30 miljoen maal de atmosferische druk van de aarde).
* Hoge temperaturen: 4.000 tot 6.000 Kelvin.
De resultaten onthulden een superionische toestand, een zeldzame fase van materie die fungeert als een hybride tussen een vaste stof en een vloeistof. In deze toestand vormt één type atoom een stijf, kristallijn raamwerk (de koolstof), terwijl een ander type atoom (de waterstof) mobiel wordt en door die structuur stroomt.
De “spiraalvormige” ontdekking
Wat deze specifieke bevinding uniek maakt, is de richting waarin de waterstof beweegt. In plaats van vrijelijk in alle richtingen te stromen als een vloeistof, bewegen de waterstofatomen zich langs goed gedefinieerde, spiraalvormige (spiraalvormige) routes binnen de koolstofstructuur.
“Deze nieuw voorspelde koolstof-waterstoffase is vooral opvallend omdat de atomaire beweging niet volledig driedimensionaal is”, merkte dr. Ronald Cohen van het Carnegie Institution for Science op. “In plaats daarvan beweegt waterstof zich bij voorkeur langs goed gedefinieerde spiraalvormige routes ingebed in een geordende koolstofstructuur.”
Waarom dit belangrijk is voor de planetaire wetenschap
Deze ontdekking is meer dan een theoretische curiositeit; het heeft diepgaande gevolgen voor de fysieke kenmerken van Uranus en Neptunus. Omdat de waterstofatomen op zo’n specifieke, gerichte manier bewegen, zullen ze twee cruciale planetaire processen beïnvloeden:
- Herverdeling van warmte: De manier waarop energie van de kern naar het oppervlak beweegt, hangt af van hoe atomen zich binnenin bewegen.
- Opwekking van magnetische velden: De elektrische geleidbaarheid van deze lagen is een belangrijke factor in de manier waarop een planeet zijn magnetisch veld genereert. Als de materie binnenin ‘quasi-eendimensionaal’ is, verandert dit de manier waarop elektriciteit stroomt, wat de unieke magnetische signatuur zou kunnen verklaren die wordt waargenomen in ijsreuzen.
Conclusie
Door dit complexe gedrag bloot te leggen in een eenvoudige combinatie van koolstof en waterstof, hebben onderzoekers aangetoond dat zelfs de meest voorkomende elementen zich onder druk in onverwachte patronen kunnen organiseren. Deze bevinding biedt een nieuwe lens waarmee we de interne dynamiek en magnetische mysteries van de ijsreuzen in het zonnestelsel kunnen interpreteren.
