Najświeższy zwrot akcji polega na tym, że ta dziwna woda okazuje się wewnętrznie dużo bardziej chaotyczna, niż zakładano. I to nie jest detal dla fanów krystalografii, tylko rzecz, która może przestawić nam sposób myślenia o magnetycznych dziwactwach Urana i Neptuna oraz o tym, jak działają setki podobnych planet krążących wokół innych gwiazd.
Woda, która zamienia się w przewodzące ciało stałe
W pewnym zakresie temperatur i ciśnień woda przechodzi w stan nazywany superjonowym. Wygląda to jak science fiction: atomy tlenu zastygną w sztywną kratę, a jony wodoru poruszają się w niej prawie swobodnie, jakby były w płynie. Efekt uboczny jest kluczowy: taka faza przewodzi elektryczność wyjątkowo dobrze.
To dlatego w ogóle wraca temat Urana i Neptuna. Ich pola magnetyczne są nietypowe – przesunięte, pokiereszowane geometrycznie, jakby generator działał inaczej niż w przypadku Ziemi czy Jowisza. Warstwa przewodzącej, superjonowej wody głęboko w płaszczu to jeden z najmocniejszych kandydatów na źródło tej anomalii.
Do tego dochodzi myśl, która brzmi jak kosmiczny żart: jeśli w lodowych gigantach jest jej tak dużo, to właśnie ta ekstremalna, superjonowa woda może być najpowszechniejszą odmianą wody w naszym Układzie Słonecznym – tylko że ukrytą tam, gdzie nigdy nie zajrzymy łopatą.
Zamiast porządku jest mieszanka i błędy ułożenia
Dotąd wiele modeli zakładało, że tlen w superjonowej wodzie układa się w jedną, elegancką strukturę krystaliczną – najczęściej rozważano warianty typu BCC albo FCC. Nowe pomiary mówią jednak: to nie jest jeden czysty wzór. To hybryda, w której obszary o ułożeniu FCC mieszają się z warstwami typu HCP, a całość ma sporo nieciągłości i błędów ułożenia, tzw. stacking faults.
To brzmi jak akademicki szczegół, ale w planetach takie szczegóły potrafią sterować wszystkim. Struktura krystaliczna i stopień nieporządku wpływają na lepkość, transport jonów, a więc i na to, jak łatwo materiał płynie, miesza się i jak efektywnie przewodzi. Innymi słowy: jeśli wnętrze planety jest trochę bardziej krzywe na poziomie atomów, może wyjść zupełnie inny generator pola magnetycznego.
Co ważne, w samym artykule naukowym autorzy pokazują też, że w pewnym zakresie warunków da się widzieć jednocześnie sygnatury BCC i FCC, co pomaga pospinać wcześniejsze, rozjechane wyniki eksperymentów. Tu nie chodzi o to, kto miał rację, tylko o to, że woda pod ekstremalnym ciśnieniem potrafi być w połowie tu, w połowie tam.
Jak to w ogóle sprawdzono, skoro nikt nie wierci w Uranie?
Kluczem są eksperymenty dynamicznej kompresji. W skrócie: próbkę wody ściska się serią wstrząsów (reverberating shocks), doprowadzając ją do gigantycznych ciśnień i temperatur na ułamki mikrosekundy, a potem w tym samym momencie prześwietla ultrakrótko impulsami promieniowania rentgenowskiego. Dzięki temu da się złapać dyfrakcję i odtworzyć, jak wygląda układ atomów w środku.
W badaniu mowa o ciśnieniach rzędu ~180 GPa, a dla kluczowego obszaru – powyżej 150 GPa i około 2500 K. Właśnie tam dyfrakcja przestała pasować do modelu czystej fazy FCC i zaczęła wymagać domieszki struktur o niższej symetrii oraz uwzględnienia nieporządku warstwowego.
To ważny sygnał metodologiczny: nie chodzi już o samo czy superjonowa woda istnieje, tylko o to, jaką ma realnie architekturę. A to jest różnica między opowieścią popularnonaukową a danymi, które da się włożyć do modeli planet i policzyć z nich coś użytecznego.
Co to zmienia w obrazie Urana i Neptuna?
Jeśli superjonowa woda ma więcej wariantów i przejść fazowych, niż sądzono, to wnętrza lodowych gigantów też przestają być jednolite. Możliwe, że w zależności od głębokości, temperatury i składu domieszek, warstwa przewodząca nie jest jedną strefą o stałych parametrach, tylko układem obszarów o różnej lepkości i różnym przewodnictwie. To może pomóc zrozumieć, czemu pola magnetyczne Urana i Neptuna są tak inne od reszty planetyzmu, który lubi symetrię.
Jest też drugi poziom konsekwencji: lodowe giganty to jeden z najczęstszych typów planet, jakie widzimy w danych o egzoplanetach. Jeśli nasz wzorzec wody pod ciśnieniem był zbyt uproszczony, to część interpretacji magnetosfer i ewolucji tych światów może wymagać korekty. Lepiej zrozumiana woda to lepiej zrozumiane planety – nawet jeśli są setki lat świetlnych stąd.
W tle zostaje jeszcze jedno: takie wyniki dokładają argumentów, że bez nowych misji do Urana i Neptuna kręcimy się w pętli modeli. Dane z jednego przelotu sprzed dekad nie wystarczą, jeśli zaczynamy odkrywać, że fundamenty fizyki wnętrz planet są bardziej złożone, niż zakładaliśmy.
Woda w domu jest przewidywalna aż do bólu. Woda w Uranie i Neptunie zachowuje się jak materiał, który dopiero poznajemy – i który ma własny katalog struktur, przejść i nieporządków. To też przyjemny kopniak dla naszej potrzeby prostych odpowiedzi. Lubimy, gdy wnętrze planety da się narysować trzema warstwami i podpisać. Tymczasem wygląda na to, że tam, gdzie robi się naprawdę gorąco i naprawdę ciasno, natura wybiera wersję mieszaną, trochę niechlujną, ale funkcjonalną. A potem to właśnie ta niechlujność może napędzać pola magnetyczne, które z daleka wydają się kompletnie nielogiczne.