Superionski led mogao bi nastajati duboko u unutrašnjosti Urana i Neptuna, a znanstvenici su njegovu strukturu sada potvrdili u laboratoriju. U toj fazi kisikovi atomi tvore čvrstu kristalnu rešetku, dok se ioni vodika kroz nju kreću gotovo slobodno.
Rezultat je važan za razumijevanje ledenih divova. Uranovo magnetsko polje snažno je nagnuto i pomaknuto u odnosu na središte planeta, a Neptunovo pokazuje slične nepravilnosti. Oba planeta imaju duboke slojeve vode, amonijaka i metana, pa svojstva te smjese mogu određivati način na koji nastaje magnetsko polje.
Čvrsta rešetka i pokretni ioni
Superionski led spaja svojstva koja na Zemlji ne povezujemo s istim materijalom. Atomi kisika ostaju na pravilnim položajima, kao u kristalu, dok se vodikovi ioni pomiču kroz rešetku. Materijal se ponaša kao krutina, ali istodobno provodi električnu struju.
Gibanje nabijenih čestica može stvarati električne struje, a električne struje proizvode magnetsko polje. Ako se takav sloj proteže kroz velik dio unutrašnjosti planeta, njegova vodljivost može utjecati na oblik, nagib i pomak magnetskog polja koje mjerimo iz svemira.
Kako je pokus izveden
Istraživači su malu količinu vode stisnuli između dvaju dijamanata u ćeliji za visoke tlakove. Uzorak su laserom zagrijali na više od 1800 kelvina, dok je tlak dosegnuo približno 230 gigapaskala. To su uvjeti usporedivi s onima u dubini ledenih divova, daleko ispod njihovih oblaka.
Rendgenska difrakcija pokazala je da su se atomi kisika rasporedili u strukturu heksagonalnog gusto pakiranja. Dodatna mjerenja električne vodljivosti i računalni izračuni pokazali su da vodikovi ioni nisu vezani uz pojedinačne molekule vode, nego prolaze kroz kristalnu rešetku. Time je teorijski opis superionskog stanja dobio izravnu eksperimentalnu potvrdu.
Pokus je pokazao što se događa s vodom kada se istodobno izloži tako visokom tlaku i temperaturi. Pri tim uvjetima molekule vode gube uobičajeni raspored, a tlak drži atome kisika zbijenima. Vodik tada može mijenjati položaj bez rušenja cijele strukture. Upravo ta kombinacija čini superionsku fazu različitom od drugih oblika leda.
Što to govori o Uranu i Neptunu
Uran i Neptun nisu kugle sastavljene od jedne tvari. Tlak i temperatura rastu prema središtu, a voda je pomiješana s amonijakom, metanom i drugim spojevima. Granice između tih faza vjerojatno nisu oštre. Nova mjerenja ipak pokazuju u kojem bi području vode mogla nastati velika električna vodljivost.
Modeli koji uključuju superionski led mogu objasniti zašto se magnetsko polje Urana ne podudara s poljem koje bi stvarala jednostavna metalna jezgra. Neptunovo polje također je složeno, pa usporedba dvaju planeta može pokazati koliko na njega utječu sastav, rotacija i raspored unutarnjih slojeva.
Važno je i to što se magnetsko polje možda ne stvara u samom središtu planeta. Ako vodljivi sloj vode leži iznad dubljeg dijela unutrašnjosti, polje će biti pomaknuto i nepravilno. To bi objasnilo dio razlika između ledenih divova i planeta poput Zemlje, čije polje nastaje u metalnoj vanjskoj jezgri.
Usporedba s drugim svjetovima
Ekstremne faze vode važne su i za druga planetarna tijela. Promatranja leda na Kalistu pokazuju koliko tlak mijenja strukturu vode, što pruža korisnu usporedbu za planetarne modele.
Superionska voda mogla bi postojati i u nekim velikim egzoplanetima sličnog sastava. Bez izravnog uzorka znanstvenici se oslanjaju na laboratorijska mjerenja i računalne modele. Svaki novi podatak o tlaku, temperaturi ili vodljivosti sužava raspon mogućih unutarnjih struktura.
Ograničenja pokusa
Laboratorijski uzorak nije potpuna kopija unutrašnjosti planeta. U tim dubokim slojevima voda sadrži više primjesa, a tlak i temperatura mijenjaju se od sloja do sloja. Zbog toga potvrda superionske faze ne daje gotov odgovor na pitanje kako je nastalo magnetsko polje, nego pruža čvrstu osnovu za realističnije modele.
Buduće misije prema Uranu i Neptunu moći će provjeriti takve modele mjerenjem magnetskog polja, toplinskog toka i sastava atmosfere. Posebno će biti važno utvrditi koliko su unutarnji slojevi vodljivi i mijenjaju li se s dubinom.
Za planetarne modele posebno je važno odrediti u kojem se rasponu tlaka i temperature superionska faza pojavljuje. Pokus pokazuje da prijelaz nije vezan uz jednu točno određenu vrijednost, nego ovisi o strukturi uzorka i brzini zagrijavanja. U unutrašnjosti Urana i Neptuna mogu postojati različiti slojevi s drukčijom vodljivošću, pa se magnetsko polje mijenja od jednog područja do drugog.
Mjerenje vodljivosti također pomaže u procjeni toplinskog toka. Ako se ioni lako kreću, unutarnja toplina može se prenositi drukčije nego u običnoj krutoj vodi. To utječe na izračune hlađenja planeta i na procjene koliko dugo zadržavaju energiju dobivenu pri nastanku.
Rezultati su objavljeni u novom znanstvenom radu u časopisu Physical Review Letters. Eksperimentalna potvrda superionskog leda daje planetarnim znanstvenicima novi način da povežu laboratorijsku fiziku s neobičnim magnetskim poljima najudaljenijih planeta Sunčeva sustava.
