Масштабные компьютерные симуляции продемонстрировали, что недра «ледяных гигантов» скрывают уникальную форму материи, отсутствующую на Земле.
По своему составу и массе Уран и Нептун значительно отличаются от газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Под водородно-гелиевыми атмосферными слоями этих планет находятся так называемые слои «горячих льдов» — это не привычный твердый лед, а густые высокотемпературные состояния воды, метана и аммиака, которые сложно сопоставить с земными аналогами.
Чтобы разобраться, что на самом деле происходит в таких слоях, ученые Института Карнеги Конг Лю и Рональд Коэн смоделировали поведение простейшего углеродно-водородного соединения — карбидоводорода (CH) — при давлении от 500 до 3000 гигапаскалей (это от 5 до 30 миллионов атмосфер) и температурах 4000–6000 K. В таких условиях вещества на Земле просто не существуют, так как аналогичных условий на нашей планете нет. Поэтому единственный способ выяснить, как будет вести себя подобное вещество в столь экстремальных условиях — это квантовые расчеты на суперкомпьютерах с использованием методов машинного обучения.
Расчеты показали, что при таких давлениях и температурах CH переходит в уникальное суперионное состояние. В этом состоянии атомы углерода формируют упорядоченный гексагональный каркас, напоминающий жесткую решетку, а атомы водорода начинают свободно перемещаться внутри него, но не во всех направлениях, а преимущественно по спиральным траекториям. Авторы описывают это как квазиодноразмерное суперионное состояние: структура вещества твердая, но внутри нее по строго определенным путям «текут» ионы водорода.
Суперионные материалы в целом находятся на промежуточной стадии между твердым телом и жидкостью: в них одна подрешетка атомов остается неподвижной, а другая ведет себя как подвижный «жидкий» компонент. Однако в нашем случае добавляется еще одна особенность — четкая направленность движения: ионы не перемещаются по кристаллу хаотично, а следуют конкретным спиральным каналам.
Свойства горячих льдов могут оказать значительное влияние на то, как тепло и электрический заряд переносятся в недрах планеты. Эти аспекты напрямую связаны с генерацией магнитного поля. Магнитосферы Урана и Нептуна ученые уже давно считают «нестандартными»: их оси сильно наклонены и смещены относительно центра планеты, в отличие от более «упорядоченных» полей Земли или Юпитера. Необычные слои суперионных «горячих льдов» с направленным движением ионов могут оказаться недостающим звеном в понимании этих странных магнитных структур.
Авторы исследования подчеркивают, что речь идет лишь о теоретическом предсказании: для подтверждения их гипотезы потребуются как дальнейшие расчеты, так и практические эксперименты, например, с использованием алмазных наковален и мощных лазеров. Однако уже сейчас работа демонстрирует, насколько разнообразно могут проявлять себя даже самые простые элементы — углерод и водород — в условиях гигантских планет. Эти результаты важны не только для понимания строения экзопланет, но и для материаловедения: квазиодноразмерные суперионные состояния могут подсказать новые подходы к созданию материалов с направленной проводимостью и теплопередачей.
Фото: hi-tech.mail.ru