De ontdekking van een vreemde vorm van ijs dat alleen smelt bij zeer hoge temperaturen

Er gebeuren vreemde dingen in planeten, waar bekende materialen worden blootgesteld aan extreme druk en hitte.

IJzeratomen dansen waarschijnlijk in de vaste kern van de aarde, en heet, zwaar, zwart ijs – dat zowel vast als vloeibaar is – vormt zich waarschijnlijk in de waterrijke gasreuzen Uranus en Neptunus.

Vijf jaar geleden hebben wetenschappers dit vreemde ijs, superionisch ijs genoemd, voor het eerst nagebootst in laboratoriumexperimenten; Vier jaar geleden bevestigden ze het bestaan ​​en de kristalstructuur ervan.

Vorig jaar ontdekten onderzoekers van verschillende Amerikaanse universiteiten en het Stanford Linear Accelerator Center Laboratory in Californië (SLAC) een nieuwe fase van supergeïoniseerd ijs.

Hun ontdekking verdiept ons begrip van waarom zulke dingen bestaan ​​op Uranus en Neptunus Magnetische velden buiten het kilterbereik Met meerdere elektroden.

Vanuit onze aardse omgeving zou je denken dat water een eenvoudig elleboogvormig molecuul is dat bestaat uit een enkel zuurstofatoom gebonden aan twee waterstofatomen die in een vaste positie klikken als het water bevriest.

Super ijs Vreemd anders, maar toch kan het er tussen zitten De meest voorkomende vormen van water in het universum – vermoedelijk niet alleen de binnenkant van Uranus en Neptunus, maar ook vergelijkbare buitenplaneten.

Deze planeten hebben een extreme druk die twee miljoen maal de atmosferische druk van de aarde bedraagt, en hun binnenste is zo heet als het oppervlak van de zon, waar water vreemd wordt.

In 2019 bevestigden wetenschappers wat natuurkundigen hadden bevestigd Verwacht in 1988: Een structuur waarin de zuurstofatomen in gesuperioniseerd ijs gevangen zitten in een vast kubisch rooster, terwijl de geïoniseerde waterstofatomen vrijkomen en door dat rooster stromen als elektronen door metalen.

Dit geeft superionisch ijs zijn geleidende eigenschappen. Het is te Het verhoogt het smeltpunt Zodat bevroren water bij hoge temperaturen stevig blijft.

In dit laatste onderzoek bombardeerden natuurkundige Arianna Gleason van Stanford University en haar collega’s dunne stroken water, ingeklemd tussen twee lagen diamant, met een aantal belachelijk krachtige lasers.

Opeenvolgende schokgolven verhoogden de druk tot 200 gigapascal (2 miljoen atmosfeer) en temperaturen van ongeveer 5.000 K (8.500 graden Fahrenheit) – heter dan de temperaturen van de experimenten van 2019, maar bij lagere druk.

“Recente ontdekkingen van waterrijke, Neptunus-achtige exoplaneten vereisen een gedetailleerder begrip van het fasediagram van de planeet. [water] “Bij de druk- en temperatuuromstandigheden die relevant zijn voor hun planetaire interieur”, aldus Gleason en collega’s uitgelegd in hun artikelvanaf januari 2022.

Röntgendiffractie onthulde vervolgens de hete, dichte kristallijne structuur van het ijs, ook al bleven de druk- en temperatuuromstandigheden slechts een fractie van een seconde gehandhaafd.

De resulterende diffractiepatronen bevestigden dat de ijskristallen feitelijk een nieuwe fase vormden die verschilde van het gesuperioniseerde ijs dat in 2019 werd waargenomen. Het nieuw ontdekte supergeïoniseerde ijs, Ice Op het lichaam gecentreerde kubusvormige structuur En verhoogde geleidbaarheid vergeleken met zijn voorganger uit 2019, Ice XVIII.

Geleidbaarheid is hierbij van belang omdat bewegende geladen deeltjes magnetische velden opwekken. Dit is de basis Dynamo-theoriewaarin wordt beschreven hoe geleidende vloeistoffen, zoals de aardmantel of in een ander hemellichaam, aanleiding geven tot magnetische velden.

Als meer van het binnenste van een Neptunus-achtige ijsreus zou worden opgezogen door een zachte vaste stof, en minder door een roterende vloeistof, zou het Verander het type geproduceerd magnetisch veld.

Als deze planeet twee supergeïoniseerde lagen bevat met verschillende geleidbaarheid naar de kern, zoals Gleason en zijn collega’s zeiden Voorstellen Neptunus zou dat wel kunnen hebben gedaan, en dan zou het magnetische veld dat door de buitenste vloeistoflaag wordt gegenereerd op elk van hen op een andere manier reageren, waardoor de zaken nog vreemder worden.

Gleason en collega’s Wij concluderen De verbeterde geleidbaarheid van een laag gesuperioniseerd ijs vergelijkbaar met IJs XIX zou de opwekking van onstabiele, multipolaire magnetische velden zoals die uitgezonden door Uranus en Neptunus bevorderen.

Als dat zo is, zou dat een bevredigend resultaat zijn, meer dan dertig jaar nadat NASA’s ruimtesonde Voyager 2, gelanceerd in 1977, langs de aarde vloog. Ons zonnestelsel heeft er twee IJsreuzen En meting zij Zeer ongebruikelijke magnetische velden.

Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten.