Усередині Урана та Нептуна може існувати стан речовини, якого досі ніхто не спостерігав. Дослідники Інституту Карнегі змоделювали, як під шаленим тиском і за надвисокої температури атоми вуглецю і водню утворюють структуру з унікальними властивостями — і це може пояснити давню загадку цих планет.
Модель замість експерименту
Вчені давно знають: крижані гіганти всередині зовсім не схожі на те, що підказує назва. Замість звичайного льоду там вирує густа гаряча суміш води, аміаку та метану під тиском у мільйони разів вищим, ніж на поверхні Землі. Відтворити такі умови в лабораторії практично неможливо — більшість матеріалів просто не витримають.
Науковці Інституту Карнегі підійшли до задачі з боку квантової механіки — побудували симуляцію «з нуля», не спираючись на спрощені моделі. За їхніми розрахунками, за тиску понад 1100 гігапаскалів (це більш ніж у 11 млн разів вищий за земний) вуглець і водень утворюють стійку сполуку з незвичною структурою: атоми вуглецю фіксуються у тверду ґратку, закручену спіраллю — наче мікроскопічні гвинтові сходи.
Рідина всередині твердого тіла
За температур від 1000 до 3000 Кельвінів ця структура переходить у так званий суперіонний стан. Звучить складно, але суть проста: одні атоми залишаються «замороженими» у твердій ґратці, тоді як інші течуть крізь неї, як рідина. У суперіонному льоді — особливому стані води за надвисокого тиску — так поводяться протони водню: вони рухаються крізь нерухомий каркас з атомів кисню.
У новій сполуці ситуація інакша: тверду основу утворює вуглець, а атоми водню переміщуються вздовж спіральних «сходів». Вбік вони майже не рухаються, натомість обертаються. Саме ця асиметрія руху змусила дослідників виділити явище в окремий тип і назвати його квазіодновимірним суперіонним станом, першим подібним у науці.
Зв’язок із магнітними аномаліями
Традиційні моделі припускали, що суперіонні речовини всередині цих планет однаково добре проводять тепло й електрику в усіх напрямках. Але нова сполука поводиться інакше: уздовж осі спіралі вона добре проводить тепло й електрику, в перпендикулярних напрямках — набагато слабше. Ця асиметрія властивостей — так звана анізотропія — може краще відповідати реальним спостережуваним даним.
Вуглецево-водневе середовище, яке вивчали науковці, — це лише приблизна модель справжньої хімії надр крижаних гігантів. Проте навіть такий підхід дозволяє зрозуміти, як поводиться речовина в екстремальних умовах, недосяжних для жодної лабораторії на Землі.
Джерело: sciencealert.com
