Согласно новому исследованию, глубокие недра планет-ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, могут скрывать ранее неизвестную форму материи. Учёные из Института Карнеги с помощью сложных компьютерных симуляций обнаружили, что при колоссальном давлении и температуре, царящих в этих мирах, соединение углерода и водорода может переходить в экзотическое состояние. Это открытие проливает свет на внутреннее строение одних из самых загадочных планет нашей Солнечной системы, чьи недра состоят из слоёв так называемого «горячего льда» — воды, метана и аммиака в экстремальных условиях, где также могут существовать и другие экзотические фазы, например, сверхтекучие или полимерные формы этих веществ.
Моделирование, проведённое Конгом Лю и Рональдом Коэном, показало, что гидрид углерода (CH) при давлении в миллионы раз выше земного и температуре в тысячи градусов образует необычную структуру. Атомы углерода выстраиваются в упорядоченную гексагональную решётку, в то время как атомы водорода не закреплены на месте, а движутся внутри неё по чётким спиралевидным траекториям. Это создаёт так называемое квазиодномерное суперионное состояние, которое невозможно воспроизвести в земных лабораториях. Для изучения веществ при подобных экстремальных давлениях учёные также используют экспериментальные методы, такие как алмазные наковальни, сжимающие образцы до миллионов атмосфер, метод ударного сжатия, создающий кратковременные условия, аналогичные планетарным недрам, и анализ с помощью синхротронного излучения.
Суперионные материалы представляют собой гибрид твёрдого тела и жидкости: одна часть атомов (в данном случае углерод) образует стабильный кристаллический каркас, а другая (водород) ведёт себя как жидкость, свободно перемещаясь. Уникальность новой фазы в том, что движение происходит не хаотично во всех направлениях, а преимущественно вдоль одномерных спиральных путей. Это делает материю анизотропной — её свойства сильно зависят от направления.
Обнаруженное состояние материи может быть ключом к пониманию необычных характеристик Урана и Нептуна, в частности, их магнитных полей, которые смещены относительно оси вращения и имеют сложную структуру. Направленное движение заряженных частиц водорода напрямую влияет на то, как тепло и электрический ток переносятся в недрах планет, что, в свою очередь, определяет механизм генерации магнитного динамо. Таким образом, открытие помогает объяснить, почему магнитные поля этих гигантов так сильно отличаются от земного или юпитерианского, где, как предполагается, может существовать металлический водород.
Исследование имеет значение не только для планетологии, но и для фундаментальной физики и материаловедения. Оно демонстрирует, как простейшие и самые распространённые элементы во Вселенной — углерод и водород — под воздействием экстремальных условий могут самоорганизовываться в сложные и неожиданные структуры с направленными свойствами. Понимание такого поведения материи, включая возможные состояния вроде вырожденной материи в ядрах планет, открывает новые горизонты для создания передовых материалов с заданными характеристиками.
Источник: A bizarre new state of matter may be hiding inside Uranus and Neptune