Невероятные 4704 °C. Обнаружена странная форма льда, тающая лишь при очень высоких температурах

Странные вещи происходят внутри планет, где материалы подвергаются экстремальному нагреву и давлению. Например, известно, что атомы железа "танцуют" внутри твердого внутреннего ядра Земли, тогда как горячий, твердый и тяжелый лед, вероятно, образуется внутри богатых водой газовых гигантов, Урана и Нептуна, пишет Science Alert.

5 лет назад ученым впервые удалось воссоздать в лабораторных экспериментах этот экзотический одновременно твердый и жидкий лед с других планет, названный суперионным льдом. Годом позже им удалось подтвердить его существование и кристаллическую структуру. И только в прошлом году исследователи из нескольких университетом США и лаборатории Стэнфордского центра линейных ускорителей в Калифорнии (SLAC) обнаружили новую фазу суперионного льда.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Фактически их открытие пролило свет на понимание того, почему Уран и Нептун обладают такими необычными магнитными полями с несколькими полюсами. Живя на Земле, мы могли бы предположить, что вода — простая молекула, состоящая из одного атома кислорода, связанного с двумя атомами водорода, которые занимают фиксированное положение при замерзании воды. Однако суперионный лед переворачивает все с ног на голову.

Этот удивительный лед странным образом отличается от других, но при этом, вероятно, является одной из самых распространенных форм воды во Вселенной. Ученые полагают, что он не только заполняет недра Урана и Нептуна, но и подобные экзопланеты, эти планеты имеют экстремальное давление, которое в 2 миллиона раз превышает давление земной атмосферы. Причем их недра столь же горячи, что и поверхность Солнца — именно в этих структурах вода и становится странной.

В 2019 году ученым удалось подтвердить то, что физики предсказали еще в 1988 году: структуру, где атомы кислорода в суперионном льду заперты в твердой кубической решетки, в то время как ионизированные атомы водорода высвобождаются, проходя через решетку, подобно электронам, которые проходят через металлы.

Исследователи пришли к выводу, что именно это и обеспечивает удивительные проводящие свойства суперионного льда. Кроме того это также увеличивает температуру плавления — в результате замороженная вода остается твердой при невероятно высоких температурах.

В последнем исследовании физик Арианна Глисон из Стэнфордского университета с коллегами провели эксперимент: они подвергли тонкие полоски воды, зажатые между двумя алмазными слоями, воздействуя на них невероятно мощным лазером.

В результате последовательные удары волны подняли давление до 2 миллионов атмосфер, а температуру до 4704 °C — температура оказалась выше температуры 2019 года, однако давление было более низким.

По словам Глисон, после этого они использовали дифракцию рентгеновских лучей, которая выявила кристаллическую структуру горячего плотного льда, несмотря на то, что условия давления и температуры, по сути, сохранялись лишь в течение доли секунды.

Таким образом ученым удалось подтвердить, что кристаллы льда в действительности представляют собой новую фазу, отличную от суперионного льда, наблюдавшегося в 2019 году. Недавно обнаруженный суперионный лед назвали Ice XIX, он имеет объемно-центрированную кубическую структуру и повышенную проводимость в сравнении со своим предшественником 2019 года — Ice XVIII.

Глисон отмечает, что в данном случае важную роль играет проводимость, поскольку движущиеся заряженные частицы генерируют магнитные поля. По сути, это основа теории динамо, описывающей, как взбалтывание проводящих жидкостей, например мантия Земли, порождает магнитные поля.

Например, если бы недра ледяного гиганта, подобного Нептуну, были заняты мягким твердым телом, а не вращающейся жидкостью, это изменило бы тип создаваемого магнитного поля. С другой стороны, если бы ближе к ядру эта планета имела два суперионных слоя с разной проводимостью, которые, как предполагают ученые, может содержать Нептун, магнитное поле, создаваемое внешним слоем жидкости, взаимодействовало бы с каждым из них по-разному, делая ситуацию еще более странной.

В результате команда пришла к выводу, что повышенная проводимость слоя суперионного льда, подобного Ice XIX, способствует генерации шатких, многополярных магнитных полей, подобных тем, которые исходят от Урана и Нептуна.

Ранее Фокус писал о том, что появился способ дешевого и быстрого полета к Нептуну.