Вода — одно из самых знакомых веществ на Земле, но во Вселенной она оказывается совсем иной и гораздо более загадочной. Новые лабораторные эксперименты, проведённые учёными в США и Европе, проливают свет на необычную форму воды, которая, вероятно, составляет значительную часть вещества в недрах гигантских ледяных планет, таких как Уран и Нептун. Эти результаты опубликованы в научном журнале Nature Communications и обсуждаются как важный шаг к пониманию физики экстремальных состояний материи.
Что такое «суперионная вода» и почему она важна?
Под обычными условиями на Земле вода существует в трёх состояниях — жидком, твёрдом (лёд) и газообразном (пар). Однако при экстремально высоких давлениях и температурах, таких как в центрах гигантских планет, вода вступает в состояние, которое астрономы называют суперионной фазой. В этом состоянии вода по структуре похожа на твёрдый кристалл, но атомы водорода внутри него не фиксированы: они подвижны и могут свободно перемещаться сквозь решётку из атомов кислорода, проводя электрический ток.
Это состояние настолько отличается от того, что мы видим на Земле, что его часто называют «горячим льдом»: он остаётся твёрдым, но при этом чрезвычайно горячим и нестабильным.
Учёные считают, что суперионная вода — вероятно, одна из самых распространённых форм воды во Вселенной, поскольку подобные условия давления и температуры характерны для огромного количества «ледников» и «газовых гигантов» как в нашей Солнечной системе, так и среди экзопланет.
Как учёные получают суперионную воду в лаборатории
Создать суперионное состояние воды в лаборатории — сложная задача, поскольку оно возникает только при условиях, близких к тем, что существуют внутри планет размером с Уран или Нептун.
Для этого исследователи использовали алмазы-наковальни — устройство, которое позволяет сжимать материал между двумя алмазами до давления в миллионы атмосфер, а затем нагревать его короткими вспышками лазерного света до температур порядка 2500 Кельвинов. В результате такой обработки вода переходила в суперионное состояние.
Поскольку это состояние нестабильно, оно сохранялось лишь на доли триллионных долей секунды. В этот промежуток времени учёные успевали облучить образец интенсивным пучком рентгеновских лучей и зарегистрировать его структуру методом рентгеновской дифракции.
Что оказалось неожиданным в результатах
Ранее теоретики полагали, что атомы кислорода в суперионной воде выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решётку. Ожидалось, что структура может быть одной из двух симметрий, хорошо известных в кристаллографии: кубически центрированная (BCC) или гранецентрированная (FCC).
Однако результаты экспериментов показали, что картина гораздо сложнее. Вместо одной упорядоченной структуры учёные зафиксировали смесь сразу нескольких типов кристаллических решёток и их фрагментов, переплетающихся между собой. Это указывает на то, что суперионная вода — по сути, структурно «грязная» или «неупорядоченная», а не идеальный кристалл.
Эти наблюдения подтверждали эксперименты, проведённые сначала в США, а затем дублированные на линейном ускорителе в Германии, что исключает влияние внешних шумов или ошибок измерений.
Почему это важно для понимания планет
Уран и Нептун, ледяные гиганты нашей Солнечной системы, демонстрируют так называемые «хаотичные» или «нерегулярные» магнитные поля, измеренные космическим зондом Voyager 2. Вместо привычной дипольной формы (как на Земле), эти поля смещены и искажены.
Учёные предполагают, что именно свойства суперионной воды, присутствующей в слоях под поверхностью этих планет, могут объяснять такие магнитные поля. Нестандартная, непредсказуемая структура и движение ионов водорода внутри суперионной воды создаёт условия для генерации сложных магнитных конфигураций.
Между лабораторией и планетой: ограничения эксперимента
Несмотря на успехи эксперимента, учёные подчёркивают, что условия в лаборатории всё же отличаются от реальных условий внутри планет. В лаборатории суперионная фаза существовала лишь очень короткое время и при строго контролируемых параметрах. Внутри планет такие условия сохраняются постоянно, и потому поведение вещества там может быть более стабильным или отличаться в деталях.
Как это соотносится с распространённостью воды во Вселенной
Вода как химическое соединение чрезвычайно распространена во Вселенной. Это объясняется тем, что её составляющие элементы — водород и кислород — одни из самых распространённых во Вселенной. Водород образовался вскоре после Большого взрыва, а кислород вырабатывается в звёздах и распределяется по галактикам в результате их эволюции и взрывов сверхновых.
Астрономы обнаруживают воду не только в туманностях и дисках формирования звёзд, но и в составе комет, ледяных спутников и даже в атмосферах экзопланет. В ряде случаев вода в космосе существует уже через несколько сотен миллионов лет после начала истории Вселенной.
Заключение
Новое исследование суперионной воды демонстрирует, насколько необычными могут быть свойства самого распространённого вещества во Вселенной при экстремальных условиях. Понимание структуры и поведения этой формы воды помогает учёным объяснять загадки, такие как нестандартные магнитные поля гигантов, и расширяет наши знания о физике вещества в экстремальных средах. Научные эксперименты, подобные описанным выше, продолжают играть ключевую роль в том, чтобы открывать неизвестные ранее состояния материи за пределами привычных земных условий.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
