Нова форма матерії в надрах Нептуна і Урана: що саме відкрили вчені

У надрах Нептуна і Урана від­бу­ва­ю­ться про­це­си, для яких на Землі про­сто немає ана­ло­гів. Під атмо­сфе­рою цих пла­нет зна­хо­дя­ться так звані «гаря­чі льоди» — сумі­ші води, мета­ну та амі­а­ку у над­щіль­но­му і висо­ко­тем­пе­ра­тур­но­му стані.

Нещодавні роз­ра­хун­ки пока­за­ли: в таких умо­вах можуть вини­ка­ти форми мате­рії, які не вкла­да­ю­ться у зви­чне роз­ді­ле­н­ня на твер­де тіло чи рідину.

Що саме змоделювали вчені

Дослідники вико­ри­ста­ли кван­то­ве моде­лю­ва­н­ня для про­сто­го з’єднання вугле­цю і водню (CH). Йдеться саме про тео­ре­ти­чну робо­ту — екс­пе­ри­мен­таль­но­го під­твер­дже­н­ня поки немає, і це важли­во враховувати.

У моде­лі роз­гля­да­ли­ся умови:

• тиск: при­бли­зно 500‑3000 ГПа
• тем­пе­ра­ту­ра: близь­ко 4000 – 6000 K

Такі пара­ме­три на Землі пра­кти­чно нед­ося­жні, тому єди­ний спо­сіб їх вивча­ти — обчи­сле­н­ня на суперкомп’ютерах.

Суперіонний стан: між твердим і рідиною

Суперіонний стан — це стан речо­ви­ни, в якому части­на ато­мів фор­мує жорс­тку кри­ста­лі­чну реші­тку, а інша части­на руха­є­ться все­ре­ди­ні неї майже як у рідині.

У цьому випадку:

• атоми вугле­цю утво­рю­ють ста­біль­ну гекса­го­наль­ну структуру
• атоми водню руха­ю­ться все­ре­ди­ні цієї структури

Але клю­чо­ва деталь — рух не хаотичний.

Чим цей стан відрізняється від інших

Розрахунки пока­за­ли незви­чай­ну осо­бли­вість: водень руха­є­ться не в усіх напрям­ках, а пере­ва­жно вздовж спі­раль­них каналів.

Це опи­су­ють як ква­зі­о­дно-вимір­ний супе­ріон­ний стан.

Простими сло­ва­ми:

1. стру­кту­ра речо­ви­ни зали­ша­є­ться твердою
2. части­на ато­мів пово­ди­ться як рідина
3. рух від­бу­ва­є­ться по чітко визна­че­них траєкторіях

Такий тип орга­ні­за­ції рані­ше майже не опи­су­вав­ся для поді­бних систем, тому його і нази­ва­ють новою фор­мою пове­дін­ки мате­рії (точні­ше — новим режи­мом вже відо­мо­го стану).

Чому це важливо для планет

Ці про­це­си можуть поясню­ва­ти дивні вла­сти­во­сті магні­тних полів Нептуна і Урана.

На від­мі­ну від Землі:

• їхні магні­тні осі силь­но нахилені
• поля змі­ще­ні від цен­тру планети
• стру­кту­ра поля неста­біль­на і асиметрична

Один із можли­вих меха­ні­змів — саме рух заря­дже­них части­нок у таких супе­ріон­них шарах. Але це гіпо­те­за, яка потре­бує підтвердження.

Що поки не доведено

Важливий момент: це не пряме від­кри­т­тя в кла­си­чно­му сенсі, а тео­ре­ти­чне передбачення.

Щоб під­твер­ди­ти модель, потрібні:

• дода­тко­ві обчислення
• лабо­ра­тор­ні екс­пе­ри­мен­ти (напри­клад, з вико­ри­ста­н­ням алма­зних ковадел)

Поки таких під­твер­джень немає, резуль­та­ти варто спри­йма­ти як силь­ну, але все ж гіпотезу.

Що це дає науці

Навіть без екс­пе­ри­мен­таль­но­го під­твер­дже­н­ня такі робо­ти мають значення:

1. Допомагають зро­зу­мі­ти вну­трі­шню будо­ву кри­жа­них гігантів
2. Дають моде­лі для інтер­пре­та­ції магні­тних полів планет
3. Відкривають нові ідеї для мате­рі­а­ло­знав­ства — зокре­ма для ство­ре­н­ня мате­рі­а­лів із напрям­ле­ною провідністю

Саме такі стани можуть поясни­ти, як енер­гія і заряд пере­но­ся­ться в екс­тре­маль­них умовах.

У надрах Урана і Нептуна можуть існу­ва­ти стани мате­рії, які не зустрі­ча­ю­ться на Землі. Один із них — супе­ріон­на стру­кту­ра з направ­ле­ним рухом водню. Але це поки що модель, а не під­твер­дже­ний факт. Реальні екс­пе­ри­мен­ти ще попереду.