Внутри Урана и Нептуна может быть состояние вещества, которое до сих пор никто не наблюдал. Исследователи из Института Карнеги смоделировали, как под огромным давлением и при сверхвысокой температуре атомы углерода и водорода образуют структуру с уникальными свойствами — и это может объяснить давнюю загадку этих планет.
Модель вместо эксперимента
Ученые давно знают: ледяные гиганты внутри совсем не похожи на то, что подсказывает их название. Вместо обычного льда там бурлит густая горячая смесь воды, аммиака и метана под давлением, в миллионы раз превышающим давление на поверхности Земли. Воссоздать такие условия в лаборатории практически невозможно — большинство материалов просто не выдержат.
Ученые Института Карнеги подошли к задаче со стороны квантовой механики — построили симуляцию «с нуля», не опираясь на упрощенные модели. По их расчетам, при давлении свыше 1100 гигапаскалей (это более чем в 11 млн раз выше земного) углерод и водород образуют устойчивое соединение с необычной структурой: атомы углерода фиксируются в твердой решетке, закрученной спиралью — словно микроскопическая винтовая лестница.
Жидкость внутри твердого тела
При температурах от 1000 до 3000 Кельвинов эта структура переходит в так называемое суперионное состояние. Звучит сложно, но суть проста: одни атомы остаются «замороженными» в твердой решетке, тогда как другие текут сквозь нее, как жидкость. В суперионном льду — особом состоянии воды при сверхвысоком давлении — так ведут себя протоны водорода: они движутся сквозь неподвижный каркас из атомов кислорода.
В новом соединении ситуация иная: твердую основу образует углерод, а атомы водорода перемещаются вдоль спиральных «лестниц». В стороны они почти не двигаются, зато вращаются. Именно эта асимметрия движения заставила исследователей выделить явление в отдельный тип и назвать его квазиодномерным суперионным состоянием, первым подобным в науке.
Связь с магнитными аномалиями
Традиционные модели предполагали, что суперионные вещества внутри этих планет одинаково хорошо проводят тепло и электричество во всех направлениях. Но новое соединение ведет себя иначе: вдоль оси спирали оно хорошо проводит тепло и электричество, в перпендикулярных направлениях — гораздо слабее. Эта асимметрия свойств — так называемая анизотропия — может лучше соответствовать реальным наблюдаемым данным.
Углеродно-водородная среда, которую исследовали ученые, — это лишь приблизительная модель реальной химии недр ледяных гигантов. Однако даже такой подход позволяет понять, как ведет себя вещество в экстремальных условиях, недостижимых для любой лаборатории на Земле.
Источник: sciencealert.com
