Учёные выяснили, почему у Нептуна такое необычное магнитное поле
В ядрах ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран, существуют экстремальные давление и температура, которые превращают воду в особую фазу, не встречающуюся в естественных условиях на Земле. Эта форма воды, известная как «сверхионный лёд», является разновидностью льда, однако, в отличие от обычного, она раскалённо горячая и имеет чёрный цвет. Учёные десятилетиями предполагали, что именно этот сверхионный лёд в недрах планет ответственен за странные, смещённые магнитные поля, которые зафиксировал зонд «Вояджер-2» при пролёте мимо Нептуна и Урана.
Новая серия экспериментов, описанная в статье в журнале Nature Communications группой исследователей во главе с Леоном Андриамбариариджаона из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Сорбонны, дала экспериментальное объяснение этому феномену. Оказалось, что структура сверхионного льда гораздо более хаотична, чем считалось ранее.
В школьном курсе чаще всего говорят о четырёх агрегатных состояниях вещества: твёрдом, жидком, газообразном и плазме. Однако при колоссальных давлениях и температурах вода может переходить в сверхионную фазу. Внешне она напоминает твёрдое тело, но представляет собой кристаллическую решётку из атомов кислорода, сквозь которую свободно текут атомы водорода, создавая электрическую проводимость.
Долгое время господствовала теория, что атомы кислорода в сверхионной воде образуют «идеальный» кристалл с чёткой структурой, например, объёмно-центрированную или гранецентрированную кубическую решётку. Такие аккуратные структуры плохо сочетались с «комковатым» и хаотичным магнитным полем ледяных гигантов. Чтобы проверить теорию, учёным пришлось создать сверхионный лёд в лаборатории.
Это чрезвычайно сложная задача, так как он существует лишь при гигантском давлении в 1,8 миллиона атмосфер, создаваемом с помощью алмазных наковален, и температуре около 2500 Кельвинов, достигаемой импульсами лазера. Образец существует лишь доли секунды, после чего распадается. За эти мгновения его облучают рентгеновскими лучами, чтобы методом дифракции зафиксировать атомную структуру.
Анализ данных дал неожиданный результат. Вместо чёткой и однородной кристаллической решётки учёные увидели «размытую» картину — смесь различных структур, включая гранецентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную. Первоначально эти данные сочли ошибкой, но повторные эксперименты на ускорителе в Германии подтвердили результат.
Дальнейшие опыты показали, что при изменении давления решётки могут накладываться друг на друга, а не чётко переходить из одной формы в другую. Это указывает на то, что сверхионный лёд — чрезвычайно сложный и неупорядоченный материал. Именно эта внутренняя неоднородность и хаотичность может объяснять причудливые и не выровненные с осью вращения магнитные поля Нептуна и Урана.
Лабораторные условия, в которых материал существует лишь фемтосекунды, не являются полным аналогом условий в недрах планет, где процессы длятся миллиарды лет. Возможно, со временем структура там становится более упорядоченной, а может, хаос сохраняется. Примечательно, что, хотя на Земле такой лёд не встречается, именно он, вероятно, является самой распространённой формой воды во Вселенной, учитывая обилие ледяных гигантов среди экзопланет. Это открытие напоминает, что вода, необходимая для жизни, может существовать в удивительном многообразии форм в разных уголках космоса.