تم العثور على الماء الفائق التأين في عمالقة الجليد أورانوس ونبتون. الائتمان: LLNL

باستخدام مصدر فوتوني متقدم ، أعاد العلماء تكوين بنية الجليد التي تشكلت في مركز الكواكب. نبتون و أورانوس.

يعلم الجميع عن الجليد والسائل والبخار – ولكن ، اعتمادًا على الظروف ، يمكن أن يشكل الماء في الواقع عشرات الهياكل المختلفة. أضاف العلماء الآن مرحلة جديدة إلى القائمة: الجليد الفائق الأيونية.

يتكون هذا النوع من الجليد في درجات حرارة وضغوط عالية جدًا ، مثل تلك الموجودة في أعماق الكواكب مثل نبتون وأورانوس. في السابق كان الجليد الأسرع من الصوت يُرى للحظة صغيرة فقط أرسل العلماء موجة صدمة بواسطة قطرة ماء لكنها نشرت في دراسة جديدة الفيزياء الطبيعية لقد وجد العلماء طريقة موثوقة لإنشاء الجليد وتثبيته ودراسته.

أعاد العلماء إنشاء ظروف عميقة داخل الكواكب باستخدام حزم من الماس والأشعة السينية الرائعة ، واكتشفوا مرحلة جديدة من الماء تسمى “الجليد الفائق التأين”. الائتمان: صورة فيتالي براكابينجا

وقال فيتالي براكابينكا ، مؤلف مشارك في الدراسة: “إنها مفاجأة – اعتقد الجميع أن هذه المرحلة لن تظهر إلا بعد تعرضها لضغط أكبر من حيث اكتشفناها لأول مرة”. جامعة شيكاغو مرفق مستخدم مكتب وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة ، وأستاذ باحث وعالم Beamline في مصدر الفوتون المتقدم (APS). “لكننا تمكنا من تحديد خصائص هذا الجليد الجديد بدقة أكبر ، مما خلق مرحلة جديدة من المادة ، بفضل العديد من الأدوات القوية.”

على الرغم من أن البشر ينظرون إلى بداية الكون – وإلى أصغر الجسيمات التي تتكون منها كل المادة – إلا أننا ما زلنا لا نفهم تمامًا ما يكمن في أعماق الأرض ، ناهيك عن الكواكب الشقيقة في شمسنا. منظمة. العلماء حفروا فقط حوالي سبعة أميال ونصف تحت سطح الأرض قبل أن تبدأ المعدات في الذوبان بسبب الحرارة والضغط الشديدين. في ظل هذه الظروف ، تعمل الصخور مثل البلاستيك ، وتبدأ هياكل الجزيئات الأساسية ، مثل الماء ، في التغير.

“لقد تمكنا من تحديد خصائص هذا الجليد الجديد بدقة شديدة ، مما خلق مرحلة جديدة من المادة ، بفضل العديد من الأدوات القوية.” – فيتالي براكابينجا ، جامعة شيكاغو.

نظرًا لأننا لا نستطيع الوصول إلى هذه الأماكن فعليًا ، يجب على العلماء العودة إلى المختبر لإعادة تهيئة ظروف الحرارة والضغط الشديدين.

يستخدم براكابينكا وزملاؤه APS ، وهو مسرّع هائل يدفع الإلكترونات إلى مسافة قريبة جدًا من سرعة الضوء لإنشاء حزم رائعة من الأشعة السينية. يضغطون عيناتهم بين قطعتين من الماس – أصعب مادة على وجه الأرض – لمحاكاة الضغوط الشديدة ثم يطلقون أشعة الليزر عبر الماس لتسخين العينة. أخيرًا ، ينقلون شعاع الأشعة السينية عبر العينة ويربطون بنية الذرات بالداخل معًا بناءً على كيفية تشتت الأشعة السينية من العينة.

عندما أجروا التجارب لأول مرة ، رأى براكابينكا بنية مختلفة تمامًا عما كان يتوقعه. لقد اعتقد أن شيئًا ما قد حدث خطأ ، وحدث تفاعل كيميائي غير مرغوب فيه ، والذي يحدث غالبًا مع الماء في مثل هذه التجارب. وقال “لكن عندما أوقفت الليزر وعادت العينة إلى درجة حرارة الغرفة ، عاد الجليد إلى حالته الأصلية”. “أعني أنه تغيير هيكلي قابل للعكس ، وليس تفاعلًا كيميائيًا.”

بالنظر إلى بنية الجليد ، أدرك الفريق أن لديه مرحلة جديدة بين يديه. كانوا قادرين على تحديد هيكلها وخصائصها بدقة.

قال براكابينكا: “تخيل مكعبًا به ذرات أكسجين في زوايا مرتبطة بالهيدروجين”. “عندما تصبح هذه المرحلة الفائقة الأيونية الجديدة ، يتمدد اللاتيه ، مما يسمح لذرات الهيدروجين بالانتقال بينما تظل ذرات الأكسجين مستقرة. إنه يشبه لاتيه الأكسجين الصلب الموجود في بحر من ذرات الهيدروجين العائمة.

هذا له عواقب على كيفية عمل الجليد: يصبح أقل كثافة ، لكنه يصبح أكثر قتامة بشكل ملحوظ لأنه يتفاعل بشكل مختلف مع الضوء. لكن النطاق الكامل للخواص الكيميائية والفيزيائية للجليد الفائق لم يتم استكشافه بعد. قال براكابينكا: “هذه هي حالة الشيء الجديد ، لذا فهو يعمل بشكل أساسي ككائن جديد ، وقد يكون مختلفًا عما كنا نظن”.

كانت النتائج مفاجئة لأنه على الرغم من أن العلماء النظريين قد توقعوا هذه المرحلة ، اعتقدت معظم النماذج أنها لن تظهر حتى يتم ضغط الماء فوق 50 جيجا باسكال (تقريبًا الظروف داخل وقود الصواريخ ستنفجر لتنطلق). لكن هذه التجارب كانت في 20 فقط جيجاباسكالس. قال براكابينجا: “في بعض الأحيان يتم تقديم مفاجآت كهذه لك”.

لكن تحديد الظروف الدقيقة التي تحدث في ظلها مراحل الجليد المختلفة ، من بين أمور أخرى ، مهم لفهم تكوين الكواكب ومكان البحث عن الحياة على الكواكب الأخرى. يعتقد العلماء أن هناك ظروفًا مماثلة موجودة داخل نبتون وأورانوس وكواكب باردة وصخرية أخرى في الكون.

تلعب خصائص هذه الجبال الجليدية دورًا في المجالات المغناطيسية للكوكب ، والتي لها تأثير عميق على قدرته على إجراء الحياة: تحمينا الحقول المغناطيسية القوية للأرض من الإشعاع الوارد الضار والأشعة الكونية ، بينما تحمينا أسطح الكواكب القاحلة. يوم الثلاثاء وسيتم إزاحة الستار عنها يوم الأربعاء. إن معرفة الظروف التي تؤثر على تكوين المجال المغناطيسي يمكن أن يوجه العلماء أثناء بحثهم عن النجوم والكواكب في الأنظمة الشمسية الأخرى.

قال براجابينكا إن هناك العديد من الزوايا التي يجب استكشافها ، مثل التوصيل واللزوجة ، والاستقرار الكيميائي ، وما الذي يتغير عندما يختلط الماء مع الأملاح أو معادن أخرى ، وكيف ينتقل إلى أعماق تحت سطح الأرض. قال “هذا يجب أن يؤدي إلى مزيد من البحث”.

ملاحظة: فيتالي ب. براجابينكا ، نيكولاس هولدغراي ، سيرجي س. لوبانوف وألكسندر ف. كونساروف ، 14 أكتوبر 2021 ، “هيكل وخصائص مرحلتين من الجليد الفائق التأين” الفيزياء الطبيعية.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01351-8

تم إجراء حيود الأشعة السينية المتزامن في المركبات البيئية لخط الحزمة الأرضية لمصدر الفوتون المتقدم في مختبر أرغون الوطني ، وتم إجراء التحليل الطيفي البصري في معهد كارنيجي للعلوم. المؤلفون الآخرون في الورقة هم نيكولاس هولدغريف من CARS وسيرجي لوبانوف من معهد كارنيجي ، ومعهد كارنيجي بواشنطن ، ومركز أبحاث جي إف زد الألماني لعلوم الأرض وألكسندر كونزاروف من معهد كارنيجي.