Nowe badanie komputerowe sugeruje, że wnętrza Urana i Neptuna mogą zawierać nieznaną wcześniej formę materii. Naukowcy zidentyfikowali „quasi-jednowymiarowy stan superjonowy” wodorku węgla, co jest odkryciem, które może zrewolucjonizować nasze rozumienie funkcjonowania tych masywnych planet.
Tajemnica lodowych gigantów
Uran i Neptun są klasyfikowane jako „lodowe olbrzymy” – termin ten odnosi się raczej do ich składu niż temperatury. W przeciwieństwie do gazowych gigantów Jowisza i Saturna, które składają się głównie z wodoru i helu, planety te mają grube warstwy „gorącego lodu” znajdujące się pomiędzy ich zewnętrzną atmosferą a skalistymi jądrami.
Warstwy te składają się z wody, metanu i amoniaku. Jednak warunki głęboko wewnątrz tych planet są tak ekstremalne, że standardowe zasady chemiczne nie mają już zastosowania. Aby zrozumieć, co dzieje się w takim środowisku, badacze muszą wyjść poza tradycyjne stany materii – ciało stałe, ciecz i gaz – i zbadać egzotyczną fizykę generowaną przez ogromne ciśnienie i ciepło.
Hybrydowy stan skupienia
Korzystając z obliczeń o wysokiej wydajności i uczenia maszynowego, zespół kierowany przez dr Conga Liu z Carnegie Institution for Science modelował zachowanie wodorku węgla w warunkach symulujących głębokie wnętrza tych planet. Modelowanie skupiało się na następujących czynnikach:
* Ekstremalne ciśnienie: od 500 do 3000 gigapaskali (do 30 milionów razy większe niż ciśnienie atmosferyczne na Ziemi).
* Wysokie temperatury: 4000 do 6000 kelwinów.
Wyniki ujawniły stan superionowy, rzadką fazę materii będącą hybrydą ciała stałego i cieczy. W tym stanie jeden rodzaj atomu tworzy sztywną strukturę krystaliczną (węgiel), podczas gdy inny rodzaj atomu (wodór) staje się mobilny i przepływa przez tę strukturę.
Otwieranie „spiralnych ścieżek”
Wyjątkowość tego konkretnego odkrycia polega na kierunku ruchu wodoru. Zamiast swobodnie płynąć we wszystkich kierunkach jak ciecz, atomy wodoru poruszają się po dobrze określonych spiralnych (helikalnych) ścieżkach w strukturze węgla.
„Szczególnie uderzające w tej nowo przewidywanej fazie węgiel-wodór jest to, że ruch atomów nie jest całkowicie trójwymiarowy” – zauważył dr Ronald Cohen z Carnegie Institution for Science. „Zamiast tego wodór porusza się głównie po dobrze określonych spiralnych trajektoriach osadzonych w uporządkowanej strukturze węgla”.
Dlaczego jest to ważne dla planetologii?
To odkrycie nie jest jedynie ciekawostką teoretyczną; ma to głębokie implikacje dla zrozumienia cech fizycznych Urana i Neptuna. Ponieważ atomy wodoru poruszają się w tak specyficzny, kierunkowy sposób, wpływają na dwa krytyczne procesy planetarne:
- Redystrybucja ciepła: Sposób przenoszenia energii z rdzenia na powierzchnię zależy od sposobu poruszania się atomów w rdzeniu.
- Generowanie pola magnetycznego: Przewodność elektryczna tych warstw jest kluczowym czynnikiem wpływającym na sposób generowania pola magnetycznego przez planetę. Jeśli materia wewnątrz jest „quasi-jednowymiarowa”, zmienia to sposób przepływu prądu elektrycznego, co może wyjaśniać unikalne sygnatury magnetyczne obserwowane u lodowych gigantów.
Wniosek
Odkrywając tak złożone zachowanie prostej kombinacji węgla i wodoru, naukowcy wykazali, że nawet najbardziej powszechne pierwiastki mogą pod ciśnieniem organizować się w nieoczekiwane struktury. Odkrycie to zapewnia nowe narzędzie do interpretacji wewnętrznej dynamiki i tajemnic magnetycznych lodowych gigantów Układu Słonecznego.
