8 Minutės
Giliai Urano ir Neptūno gelmėse vanduo elgiasi kitaip nei bet kas, ką patiriame Žemėje. Esant itin dideliam slėgiui ir aukštai temperatūrai, jis virsta karštu, elektriškai laidžiu kristalu – vadinamu „superioniniu vandeniu“ – ir nauji laboratoriniai rezultatai rodo, kad jo netvarkinga vidinė gardelė gali paaiškinti keistus šių planetų sukuriamus magnetinius laukus. Šiame straipsnyje analizuojame eksperimentinius duomenis, metodiką ir platesnes pasekmes planetų fizikoms bei egzoplanetų interpretacijoms.
Vizualizacija, rodanti superioninio vandens kristalinę struktūrą ir kaip ji gali įsikomponuoti į ledinių milžinų vidų. Ši iliustracija pabrėžia, kad vidinės fazės geometrija ir laidumas yra esminiai faktoriai planetų magnetizmo formavimuisi.
Kas yra superioninis vanduo ir kodėl tai svarbu
Įprastomis sąlygomis vanduo kinta tarp skysčio, kietosios (ledo) ir dujinės fazių. Tačiau esant milijonams atmosferų slėgio ir tūkstančiams Kelvino laipsnių, vanduo pereina į kitokį režimą: deguonies atomai fiksuojasi į kietą kristalinę gardelę, o daug mažesni vandenilio branduoliai (protonai) įgauna mobilumą ir juda per tą struktūrą, nešdami elektrinį srautą. Ši būsena vadinama superioniniu vandeniu. Išorinėmis savybėmis jis primena kietą medžiagą, tačiau elgsenos prasme daugeliu atžvilgių panašus į joninį laidininką – dalimis kietas, dalimis skystas. Ši kombinacija lemia unikalius terminius, elektrinius ir mechaninius parametrus, kuriuos svarbu suprasti norint modeliuoti planetų vidų ir magnetohidrodinaminius procesus.
Planetų mokslininkai jau seniai įtarė, kad superioninis vanduo gali vaidinti esminį vaidmenį lediniuose milžinuose. 1986 m. zondo Voyager 2 matavimai atskleidė, kad Uranas ir Neptūnas turi netradicinius magnetinius laukus – jie yra stipriai pasvirę, asimetriški ir nukrypę nuo planetų centrų. Tokie magnetiniai parašai neatitinka tvarkingų, dipolinių laukų, kuriuos generuoja Žemės skystas geležies šerdis. Todėl buvo pasiūlyta, jog elektriškai laidžios superioninio vandens sluoksniai galėtų sukelti chaotiškesnį magnetizmą. Tačiau detali superioninės srities mikrostruktūra – kaip išsidėsto deguonies atomai, kaip juda protonai, ir kokia yra vietinio laidumo erdvinė variacija – išliko daugiausia teorinė iki pat naujausių eksperimentinių bandymų.
Kaip mokslininkai atkuria planetos branduolio sąlygas
Tyrėjų grupė iš SLAC nacionalinės greitintuvų laboratorijos ir Sorbonos universitetų paskelbė eksperimentinį įrodymą žurnale Nature Communications, rodantį, kad superioninio vandens vidinė struktūra yra kur kas mažiau tvarkinga nei dauguma modelių darė prielaidą. Šios egzotiškos fazės sukūrimas laboratorijoje reikalauja techninės meistriškumo: tyrimai suspaudė itin mažas vandens mėginius tarp deimantinių presų (diamond anvil cells), kad būtų pasiektas artimas 1,8 milijono atmosferų slėgis, o vėliau mėginiai pakaitinti pulsiniais lazeriais iki maždaug 2 500 K. Tokios sąlygos išlieka tik femtosekundžių mastu prieš mėginiui atsipalaiduojant, todėl komandai reikėjo labai intensyvių rentgeno spindulių impulsų, kad būtų galima beveik akimirksniu užfiksuoti difrakcinius vaizdus.
Rentgeno difrakcija yra standartinė technika atominių pozicijų kristaluose nustatymui: skirtingos gardelių konfigūracijos išsklaido X-spindulius į būdingus modelius. Tikėtasi, kad pereinama aiškiai tarp gerai sutvarkytų gardelių, tokių kaip kūno centro kubinė (BCC) arba veido centro kubinė (FCC) struktūra, kur deguonies atomai užima numatytas kubo centro ar veido pozicijas. Vietoj to difrakcijos duomenyse pasirodė persidengiančios, sulietos struktūros – FCC tipo sluoksnių ir hexagonaliai arti supakuotų (HCP) sekų mišiniai bei kiti netolygumai. Trumpai tariant: deguonies gardelė atrodė netvarkinga, dinamiška ir daugiasluoksnė, o ne vienos rūšies, tobula kristalinė fazė.
Netvarkinga gardelė ir planetinis magnetizmas
Kuo ši laboratorinė netvarka svarbi ledinių milžinų magnetizmui? Magnetinius laukus sukuria judančios krūvininkų srovės laidžiose terpėse. Žemės branduolyje palyginti homogeniškas skystos geležies sluoksnis generuoja daugiausia dipolinį (šiaurė–pietūs) lauką. Uranui ir Neptūnui esant, jeigu laidus regionas yra plona, netolygi superioninio vandens plėvelė su kintančiu laidumu ir kompleksine vidine geometrija, susidarantis dinamas gali būti ne-dipolinis, ryškiai pasviręs ir erdviškai paslinktas – būtent tai ir užfiksavo Voyager 2 instrumentai.
SLAC–Sorbonos eksperimentai parodė, kad esant skirtingam slėgiui ir temperatūrai, superioninė gardelė nekinta skaidriai iš vienos kristalinės rūšies į kitą, o vietoje to gali talpinti persidengiančias sritis ir mišrias paklotų sekas. Tokios vidinės netolygumų zonos gali generuoti lokalizuotas sroves, nestabilias tekėjimo schemas ir vietines laidumo anizotropijas, kurios planetos mastu paverčia magnetinį lauką sudėtingu ir multipoliniu. Šios mikroskopinės heterogeniškumo savybės – lokaliai skirtingas elektros laidumas ir struktūrinių domenų judėjimas – teikia tikslingą mechanizmo paaiškinimą keistiems magnetiniams parašams, pastebėtiems Urane ir Neptūne.
Eksperimentų patikimumas ir pakartotiniai testai
Iš pradžių netvarkingi difrakcijos modeliai buvo atmesti kaip eksperimentinis triukšmas. Norėdami atmesti artefaktus, tyrėjai pakartojo eksperimentą kitoje linijinėje greitintuvo įrangoje Vokietijoje; rezultatai sutapo. Kintant spaudimui ir temperatūrai, gaunami duomenys nuosekliai rodė persidengiančias gardeles, o ne vieną, idealią kristalinę fazę. Toks pasikartojamumas sustiprina argumentą, kad chaotiška gardelė yra intrinsiška superioninio vandens savybė ledinių milžinų sąlygoms, o ne atsitiktinis eksperimentinis blyksnis. Be to, sinchronizuotų X-spindulių ir greitųjų detektorių naudojimas leido sumažinti sisteminius trukdžius ir geriau atskirti tikrąją difrakcijos signalą nuo triukšmo.
Pasekmės egzoplanetoms ir planetų mokslo
Superioninis vanduo gali būti ne tik reta mūsų Saulės sistemos keistenybė. Ledinių milžinų tipo planetos sudaro reikšmingą dalį aptiktų egzoplanetų katalogų, ir nors detekcijos šališkumai gali iškraipyti jų akivaizdžią dažnumą, daugelis pasaulių greičiausiai turi vidines sąlygas, kurioms būdinga superioninė fazė. Jeigu taip, galaktikoje gali būti žymiai daugiau vandens egzotiškomis formomis nei mums įprastose skystos ir kietos fazėse.
Tai turi praktinių pasekmių eksoplanetų magnetinių laukų interpretavimui (ateities misijos ir observatorijos galės nustatyti vidinę struktūrą pagal magnetizmą), planetų vidinio šilumos transporto modeliavimui, ir cheminės evoliucijos supratimui giliai planetų viduje, kur mobilūs protonai gali leisti egzotiškas aukšto slėgio reakcijas. Pavyzdžiui, protonų kondukcija ir jų sąveika su atskiromis oksidų ar anglies fazėmis gali skatinti neįprastas redoks reakcijas arba skatinti molekulines transformacijas, svarbias cheminiam užrakumui ir mineralogijai esant dideliam slėgiui.
Eksperimentų ribotumai ir atviri klausimai
Laboratoriniai mėginiai išgyvena femtosekundes ekstremaliomis sąlygomis – gerokai trumpiau nei planetų laiko mastai. Tai sukelia dvi svarbias pastabas. Pirma, kai kurie su laiku vykstantys equilibration procesai, kurie abejojami milijonus metų planetos viduje, gali leisti netvarkingai gardelei progresyviai sluoksniuotis į labiau ordinuotą struktūrą. Antra, atvirkščiai – nuolatinė turbulencija, konvekcija ir didelis šilumos srautas planetų viduje gali nuolat griauti kristalinę tvarką, išsaugodami chaotišką režimą geologiniais laikotarpiais. Abi scenarijos išlieka įmanomos, todėl sujungti femtosekundžių momentinius vaizdus su stabiliu planetiniu dinaminių srovės modeliu reikalauja papildomų skaičiavimų, ilgesnio trukmės eksperimentų (pvz., šiluminis suspaudimas arba ilgesnės trukmės pulsinės kompresijos bandymai) ir aukštesnės raiškos simuliacijų, kurios apimtų protonų transportą ir magnetohidrodinamiką realiais laikotarpiais.
Expert Insight
„Šie rezultatai suteikia mums detalizuotesnį, tekstūruotą ledinių milžinų vidinės sandaros vaizdą,“ sakė dr. Elena Martinez, planetų fizikos mokslininkė Kolorado universitete (komentaras pateiktas konteksto tikslais). „Superioninis vanduo nėra tiesiog tvarkingas, vidurinis sluoksnio kristalas – jis atrodo kaip dinamiškas, pleištinis laidininkas. Tokio tipo heterogeniškumas yra būtent tai, kas gali generuoti ne-dipolinius ir nuo centro paslinktus magnetinius laukus, kuriuos dešimtmečius sunku paaiškinti.“
Dr. Martinez pridūrė, kad būsimieji darbai, jungiantys laboratorinę rentgeno difrakciją, aukštos tikslumo dynamo simuliacijas ir taikomuosius egzoplanetų magnetinių parašų stebėjimus, padės užpildyti spragą tarp trumpalaikių eksperimentų ir ilgalaikių, stabilių planetinių fenomenų. Tokia tarpdisciplininė strategija – jungiant eksperimentinę fizinę chemiją, kosminę observaciją ir kompiuterinę magnetohidrodinamiką – yra būtina siekiant patikimų vidinių planetų modelių.
Ateities perspektyvos ir technologijos
Artimiausioje ateityje planuojami patobulinimai pulsuojančių galių įrenginiuose, didesnio kartotinumo rentgeno šaltiniuose ir patobulintos deimantinių presų technikos suteiks mokslininkams galimybę tirti platesnį slėgio ir temperatūros spektrą bei žemiau–aukščiau ribinių fazių sritis. Tokie metodiniai patobulinimai leis kartoti bandymus didesnės kartos eksperimentuose, išmatuoti pereinamųjų būsenų dinamiką su smulkesniu laiko žingsniu ir kaupti daugiau statistinių palyginimų tarp skirtingų aparatūrų. Jungiant šiuos duomenis su kompiuteriniais modeliais, kurie apjungia protonų transportą, elektroninį laidumą ir magnetohidrodinaminius dynamus, bus galima kiekybiškai įvertinti, ar stebima gardelės netvarka yra pakankama atkurti stebimų laukų geometrijas.
Galutinėje perspektyvoje laboratorinė fizika derinama su planetų misijomis ir teleskopiniais tyrimais padės susiaurinti mūsų supratimą apie tai, kaip vanduo – mums įprastas elementas Žemėje – elgiasi vienose iš labiausiai svetimų ir gausių kosminių formų. Tai turi įtakos ne tik teoriniams modeliams, bet ir praktiniams žvalgymams, pvz., magnetinių laukų matavimams, kurie, tinkamai interpretuoti, gali atskleisti planetų vidinių sluoksnių sudėtį ir dinamiką už Saulės sistemos ribų.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą