Odpowiedź na to pytanie przynoszą najnowsze badania. Okazuje się, że struktura wewnętrzna tej tak zwanej wody superjonowej jest dużo bardziej chaotyczna, niż ktokolwiek się spodziewał. To nie tylko tłumaczy osobliwości Neptuna i Urana, ale rzuca też nowe światło na tysiące podobnych planet odkrywanych wokół innych gwiazd.
Gorący i czarny lód. Oto co naprawdę kryje się w sercach lodowych gigantów
Aby zrozumieć, o czym mowa, trzeba wyobrazić sobie warunki panujące we wnętrzu Neptuna. Ciśnienie sięga tam około 1,8 miliona atmosfer, a temperatura oscyluje wokół 2500 kelwinów, co odpowiada ponad 2200 stopniom Celsjusza. W takim ekstremalnym środowisku zwykłe zasady przestają obowiązywać, a woda przechodzi w fazę superjonową.
Czytaj także: Uran i Neptun nie składają się z tego, co nam się wydawało. Zupełnie nowa warstwa
Ta egzotyczna forma jest hybrydą ciała stałego i cieczy. Tworzy ją sztywna sieć krystaliczna z atomów tlenu, przez którą jak przez labirynt swobodnie przemieszczają się atomy wodoru. Ten ruch ładunków elektrycznych sprawia, że woda superjonowa doskonale przewodzi prąd, zupełnie inaczej niż izolujący lód z naszej zamrażarki. Materiał ten jest też nieprzezroczysty – ma czarną barwę, ponieważ pochłania praktycznie całe padające na niego światło.
Dziwactwa tych planet wyszły na jaw, gdy sonda Voyager 2 przeleciała obok nich w latach 80. ubiegłego wieku. Jej pomiary ujawniły, że pola magnetyczne Urana i Neptuna są mocno zdezorganizowane, przesunięte względem osi obrotu i pełne lokalnych zaburzeń. To zupełnie inny obraz niż uporządkowane, dipolem przypominające pole Ziemi. Naukowcy od dawna podejrzewali, że za ten chaos odpowiada właśnie woda superjonowa, ale brakowało bezpośrednich dowodów i zrozumienia mechanizmu.
Eksperymenty w ekstremalnych warunkach. Kluczowe odkrycie przyszło w ułamku sekundy
Zespół badaczy pod kierunkiem Leona Andriambariarijaona postanowił odtworzyć i zbadać tę nieuchwytną materię. Użyli do tego diamentowych kowadełek, między którymi ścisnęli mikroskopijną próbkę wody, by osiągnąć ciśnienie porównywalne z wnętrzem planety. Następnie, aby dorównać temperaturze, musieli błyskawicznie podgrzać próbkę za pomocą ultrakrótkich impulsów laserowych.
Prawdziwym wyzwaniem było uchwycenie struktury tej materii, która w warunkach laboratoryjnych istniała tylko przez kilka femtosekund – niewyobrażalnie krótkie ułamki sekundy. Naukowcy posłużyli się w tym celu ultraszybką dyfrakcją rentgenowską, co można porównać do zrobienia niezwykle ostrego zdjęcia czegoś, co znika w mgnieniu oka.
Wyniki okazały się zaskakujące i początkowo trudne do zaakceptowania. Zamiast oczekiwanej uporządkowanej sieci krystalicznej, na wykresach pojawiła się mieszanina rozmytych sygnałów. Struktura okazała się niejednorodna, zawierająca elementy jednej struktury krystalicznej (FCC) przeplatane z inną (HCP), w zjawisku znanym jako nieporządek piętrowy. Ponieważ rezultaty były tak nietypowe, zespół powtórzył eksperyment w innym ośrodku badawczym w Niemczech, by wykluczyć błąd pomiaru. Potwierdzenie tylko utwierdziło ich w przekonaniu, że chaotyczna struktura to rzeczywista cecha wody superjonowej.
Dalsze analizy pokazały, że jej diagram fazowy jest niezwykle skomplikowany. W zależności od ciśnienia i temperatury dominują różne struktury, które przy tym płynnie na siebie nachodzą, bez ostrych granic przejścia. Na przykład przy najwyższych ciśnieniach powyżej 150 gigapaskali struktura FCC współistnieje z 25-32% udziałem HCP. Przy niższych ciśnieniach pojawia się mieszanina FCC i BCC, a przy jeszcze niższych – sam BCC.
Najpowszechniejsza woda w kosmosie. Dlaczego to odkrycie jest tak istotne?
Ten nieuporządkowany stan materii może w końcu logicznie wyjaśnić chaotyczne pole magnetyczne lodowych olbrzymów. W idealnej sieci krystalicznej przepływ jonów byłby regularny, generując uporządkowane pole. Jednak w strukturze pełnej defektów, nakładających się warstw i niejednorodności, ruch ładunków elektrycznych staje się nieprzewidywalny. To właśnie może być źródłem tych osobliwych, „przekrzywionych” i nieregularnych pól, które zarejestrował Voyager 2.
Implikacje tego odkrycia sięgają jednak znacznie dalej niż nasz własny układ planetarny. Badania opublikowane w Nature Communications sugerują, że zrozumienie złożonej struktury wody superjonowej ma kluczowe znaczenie dla modelowania właściwości transportowych, lepkości i wewnętrznej dynamiki planet. Defekty w sieci krystalicznej mogą radykalnie zmieniać sposób, w jaki materia przemieszcza się w głębi planety, co bezpośrednio wpływa na generowanie jej pola magnetycznego i długoterminową ewolucję.
Czytaj także: Co znajduje się we wnętrzu Urana i Neptuna? Naukowcy przekonują, że głębokie oceany
Choć laboratoryjne odtworzenie tych warunków trwało tylko femtosekundy, jego znaczenie jest trwałe. Lodowe olbrzymy są jednym z najpowszechniejszych typów planet we wszechświecie. Jeśli woda superjonowa o tak chaotycznej strukturze rzeczywiście wypełnia ich wnętrza, to może być ona najpowszechniejszą formą wody w całej galaktyce – mimo że na Ziemi nie występuje naturalnie. To ciekawe przypomnienie, że nawet najbardziej pospolite substancje, jak H2O, mogą ukrywać zupełnie nieznane oblicza, które ujawniają się tylko w ekstremalnych warunkach. Otwiera to nowy, fascynujący rozdział w badaniu zarówno naszych sąsiadów, jak i odległych światów.
