Международная группа исследователей под руководством ученых из Института Карнеги выявила ранее неизвестную форму вещества, которая может скрываться в недрах планет-гигантов Урана и Нептуна. Результаты компьютерного моделирования, опубликованные в журнале Nature Communications, указывают на существование так называемого квази-одномерного суперионного состояния у соединения углерода и водорода.
Что происходит в недрах ледяных гигантов
Ученые давно подозревали, что под плотными атмосферами Урана и Нептуна, состоящими из водорода и гелия, находятся необычные слои так называемых «горячих льдов». Эти зоны сформированы из воды, метана и аммиака, однако из-за колоссального давления и температуры эти привычные соединения переходят в экзотические формы. Новое исследование показывает, что на глубине углерод и водород могут образовывать структуру, одновременно напоминающую и твердое тело, и жидкость.
В ходе симуляции ученые воссоздали условия, царящие внутри ледяных гигантов: давление, в миллионы раз превышающее земное атмосферное, и температуру от 4 до 6 тысяч градусов по Кельвину (от 6,7 до 10,3 тысяч градусов по Фаренгейту). В таких экстремальных условиях атомы углерода выстраиваются в жесткую гексагональную решетку, а атомы водорода начинают свободно перемещаться по спиралевидным траекториям, пронизывая этот каркас.
Что такое суперионное состояние
Такое состояние вещества физики называют суперионным. В нем один тип атомов (в данном случае углерод) остается «запертым» в кристаллической решетке, а другой (водород) ведет себя подобно жидкости, способной к миграции. Это придает материалу одновременно и твердые, и текучие свойства.
«Эта новое углерод-водородное соединение примечательно тем, что движение атомов здесь не является полностью трехмерным», — объясняет один из авторов исследования Рональд Коэн. По его словам, атомы водорода движутся преимущественно по спиральным траекториям, «встроенным» в упорядоченную углеродную структуру.
В чем важность исследования
Такое направленное движение водорода может кардинально влиять на то, как тепло и электричество распространяются внутри планет. Это, в свою очередь, помогает понять природу магнитных полей Урана и Нептуна, которые заметно отличаются от полей других планет Солнечной системы. Кроме того, работа демонстрирует, что даже простые элементы могут вести себя крайне сложным и неожиданным образом при экстремальных давлениях и температурах.
«Углерод и водород — одни из самых распространенных элементов в планетарных материалах, но их совместное поведение в условиях планет-гигантов до сих пор изучено недостаточно», — отмечает ведущий автор исследования Конг Лю. Понимание этих процессов не только приближает ученых к разгадке тайн далеких миров, но и может найти применение в материаловедении и инженерии для создания новых материалов с необычными свойствами.
