Ученые, в ходе эксперимента воссоздав условия в сердце ледяных гигантских планет, столкнулись не с упорядоченным царством кристаллов, а с хаотичным водоворотом атомных структур, где привычные законы фазовых переходов, кажется, теряют силу. Это открытие, сделанное при изучении суперионной воды — экзотической формы материи, скрывающейся в недрах планет вроде Урана и Нептуна, — не только меняет понимание их загадочных магнитных полей, но и ставит новые вопросы о поведении вещества в экстремальных условиях.
Исследование, проведенное международной командой ученых с использованием мощнейших рентгеновских лазеров, изначально ставило целью уточнить фазовую диаграмму суперионной воды. Ученые надеялись провести четкие границы между различными кристаллическими решетками, в которые могут упорядочиваться атомы кислорода под колоссальным давлением и при огромных температурах, — такими как объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) или гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Эти структурные нюансы критически важны, ведь именно жесткий кислородный каркас и «сбежавшие» с него протоны водорода, ведущие себя как свободные носители заряда, наделяют этот лед электропроводностью. А она, в свою очередь, считается ключом к разгадке странных, многополюсных и смещенных магнитных полей Урана и Нептуна, обнаруженных еще «Вояджером-2».
Суперионная вода — это экзотическая фаза воды, существующая при чрезвычайно высоких давлениях (в миллионы раз выше атмосферного) и температурах (в тысячи градусов), которые встречаются в недрах ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун. В этом состоянии атомы кислорода образуют жесткую кристаллическую решетку, подобную льду, а атомы водорода (в виде протонов) приобретают необычную подвижность, свободно «протекая» сквозь эту решетку, что придает материи свойства твердого тела и ионного проводника одновременно. Эта уникальная проводимость, обусловленная движением протонов, считается ключевой причиной формирования сложных и хаотичных магнитных полей, наблюдаемых у этих планет.
Однако эксперимент принес сюрприз. Вместо ожидаемых резких переходов из одной упорядоченной структуры в другую, ученые обнаружили размытые границы и сосуществование множества кристаллических упаковок в, казалось бы, однородных условиях. В одних случаях одновременно присутствовали ОЦК и ГЦК структуры, в других — причудливо сочетались ГЦК и ГПУ. Это явление, когда материал как бы «не может решиться» на единственную оптимальную конфигурацию, является беспрецедентным для данной фазы воды и бросает вызов традиционным представлениям о фазовых переходах в экстремальных условиях.
Для достижения этого прорыва ученые воссоздали в лаборатории условия, царящие в тысячах километров под облачными вершинами Урана и Нептуна. Используя установки Matter in Extreme Conditions (MEC) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) и High Energy Density (HED) на Европейском XFEL (Германия), они с помощью мощных лазеров генерировали ударные волны в микроскопических образцах воды. Это позволяло мгновенно создавать чудовищные давления и температуры. Затем сверхбыстрые и яркие импульсы рентгеновских лазеров на свободных электронах, подобные гигантским фотовспышкам, фиксировали методом дифракции атомную структуру материала за доли наносекунды, до того как образец разрушался.
Полученные данные настолько противоречили ожиданиям, что команда проверила их на двух независимых установках — LCLS в SLAC и European XFEL. Результаты подтвердились, добавляя веса открытию. Теперь это аномальное размытие фазовых границ требует пересмотра теоретических моделей. Исследователи предполагают, что уникальная динамика суперионной фазы, где легкие ионы водорода стремительно перемещаются сквозь «медленную» кислородную решетку, может препятствовать образованию единой стабильной кристаллической структуры, способствуя сосуществованию нескольких конфигураций.
Значение этого открытия выходит далеко за рамки чистой науки. Понимание деталей проводящих свойств суперионной воды напрямую связано с моделями генерации магнитных полей в недрах ледяных гигантов. А поскольку подобные планеты, судя по всему, являются одними из самых распространенных в галактике, знание их внутренней динамики становится ключом к пониманию эволюции планетных систем в целом.
Следующие шаги исследователей включают компьютерное моделирование выявленной сложной фазовой диаграммы и прямые измерения электропроводности в условиях сосуществования различных структур. Кроме того, планируется изучение более реалистичных смесей, содержащих, помимо воды, аммиак, метан и другие соединения, что приблизит лабораторные модели к настоящим планетарным недрам. Это исследование не просто рисует новую картину глубин далеких миров — оно открывает главу в физике экстремальных состояний материи, где царят неведомые ранее формы порядка и хаоса.