Новое состояние материи может быть в недрах Урана и Нептуна

Международная группа ученых под руководством Конга Лю и Рональда Коэна из Института Карнеги-Хилла обнаружила ранее неизвестное квазиодномерное суперионное состояние гидрида углерода, которое может существовать в недрах ледяных гигантов Урана и Нептуна. Результаты этого исследования, основанные на новых компьютерных моделях и симуляциях с использованием машинного обучения, были опубликованы в авторитетном научном журнале Nature Communications.

Согласно новым компьютерным моделям, разработанным Конгом Лю и Рональдом Коэном из Института Карнеги-Хилла, в недрах ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, может существовать ранее неизвестное состояние материи. Их работа, предсказывающая, что квазиодномерное суперионное состояние гидрида углерода возникает при экстремальных давлениях и температурах, наблюдаемых в глубинах этих тел внешней части Солнечной системы, открывает новую главу в понимании планетарной динамики.

На сегодняшний день обнаружено более шести тысяч экзопланет, и по мере роста этого числа астрономы, планетологи и специалисты по изучению Земли выходят за рамки отдельных дисциплин. Они объединяют наблюдения, эксперименты и теорию, чтобы определить и исследовать факторы, которые помогают понять динамические процессы, формирующие эти планеты, включая генерацию магнитных полей. В связи с этим возрос интерес к изучению процессов, происходящих глубоко под поверхностью планет и лун нашей Солнечной системы, что может способствовать пониманию динамики планет и даже обитаемости планет в более отдаленных окрестностях.

Измерения плотности Урана и Нептуна показывают, что в недрах этих гигантских планет находятся промежуточные слои нетрадиционных «горячих льдов», которые существуют под их водородно-гелиевыми атмосферными оболочками и над их каменистыми ядрами. Считается, что эти слои состоят из воды, метана и аммиака, но из-за экстремальных условий предполагается, что там могли возникнуть экзотические фазы.

Физические процессы в этих областях высокого давления и высокой температуры могут приводить к возникновению нетрадиционных состояний материи, поэтому теоретики и экспериментаторы пытаются предсказать и воссоздать то, что можно было бы там обнаружить. Используя высокопроизводительные вычисления и машинное обучение, Лю и Коэн провели фундаментальные квантово-физические симуляции гидрида углерода при давлениях, варьирующихся от почти 5 миллионов до почти 30 миллионов раз превышающих атмосферное давление (от 500 до 3000 гигапаскалей), и при температурах от 4000 до 6000 Кельвинов. Их методы предсказали появление упорядоченной гексагональной структуры, в которой атомы водорода движутся по спиральным траекториям, создавая квазиодномерное суперионное состояние.

Суперионные материалы занимают необычное промежуточное положение между твердыми и жидкими телами: один тип атомов остается расположенным в кристаллической структуре, а другой становится подвижным. Эта недавно предсказанная углеродно-водородная фаза особенно поразительна, потому что движение атомов не является полностью трехмерным. Вместо этого водород движется преимущественно по четко определенным спиральным путям, встроенным в упорядоченную углеродную структуру.

Направленность этого движения имеет важные последствия для того, как тепло и электричество распространяются внутри планет. Такое поведение может повлиять на перераспределение энергии внутри, электропроводность и, возможно, на интерпретацию генерации магнитного поля в ледяных гигантах. Полученные результаты также расширяют понимание поведения простых соединений в экстремальных условиях, предполагая, что даже простые системы могут организовываться в неожиданно сложные фазы.

Таким образом, работа ученых не только предсказывает существование принципиально нового квазиодномерного суперионного состояния в недрах Урана и Нептуна, что помогает объяснить аномалии в генерации их магнитных полей, но и демонстрирует, что даже простейшие соединения углерода и водорода способны образовывать сложные упорядоченные структуры с сильно анизотропными свойствами, что открывает новые перспективы как в планетологии, так и в материаловедении.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях