Duboko u unutrašnjosti Urana i Neptuna moglo bi postojati stanje tvari kakvo dosad nije bilo poznato. Na to upućuju nove računalne simulacije Conga Liua i Ronalda Cohena iz Carnegie Science, objavljene u časopisu Nature Communications. Prema njihovim izračunima, u ekstremnim uvjetima koji vladaju u ledenim divovima mogao bi nastati neobičan oblik ugljikova hidrida u kojem se atomi vodika kreću duž usmjerenih spiralnih putanja unutar uređene ugljikove strukture. Takvo ponašanje moglo bi biti važno za razumijevanje prijenosa topline i električne struje u tim planetima, a možda i za tumačenje nastanka njihovih magnetskih polja.
Ovo istraživanje dolazi u trenutku kada se znanje o planetima sve više gradi na spoju više područja. Dosad je otkriveno više od 6000 egzoplaneta, a s rastom tog broja astronomi, planetarni znanstvenici i geoznanstvenici sve češće povezuju opažanja, pokuse i teoriju kako bi bolje razumjeli procese koji oblikuju te svjetove. Među njima je i nastanak magnetskih polja. Upravo zato raste i zanimanje za ono što se događa duboko ispod površina planeta i mjeseca u našem Sunčevu sustavu, jer takvi procesi mogu pomoći u razumijevanju planetarne dinamike, pa čak i nastanjivosti udaljenijih svjetova.
Neobična fizika duboko u planetu
Mjerenja gustoće Urana i Neptuna upućuju na to da se u njihovoj unutrašnjosti nalaze međuslojevi takozvanih vrućih ledova (eng. hot ices). Taj naziv može zvučati neobično, jer se ne odnosi na led kakav poznajemo na Zemlji, nego na tvari poput vode, metana i amonijaka pod ekstremnim tlakom i temperaturom. Ti se slojevi nalaze ispod atmosferskih omotača od vodika i helija, a iznad stjenovitih jezgri. U takvim uvjetima te se tvari više ne ponašaju onako kako bismo očekivali u zemaljskim uvjetima, zbog čega znanstvenici pretpostavljaju da ondje nastaju egzotične faze tvari.
Fizika u područjima vrlo visokog tlaka i temperature može dovesti do neuobičajenih stanja materije, zbog čega ih teoretičari i eksperimentalni fizičari nastoje predvidjeti i, kad god je moguće, oponašati u laboratoriju. Liu i Cohen zato su se usmjerili na ugljikov hidrid, spoj ugljika i vodika oznake CH, kako bi provjerili kako se ponaša u uvjetima kakvi se očekuju duboko u unutrašnjosti ledenih divova.
Za to su koristili računalstvo visokih performansi, strojno učenje i kvantnofizičke simulacije. Promatrali su tlakove od 500 do 3000 gigapaskala, odnosno od približno pet do trideset milijuna atmosfera, te temperature od 4000 do 6000 kelvina.
Spiralne putanje vodika
Prema njihovim rezultatima, u takvim uvjetima nastaje uređeni heksagonalni okvir unutar kojeg se atomi vodika gibaju duž spiralnih putanja. Autori taj raspored opisuju kao “kvazijednodimenzionalno superionsko stanje.” Superionski materijali nalaze se između krutina i tekućina. Jedna vrsta atoma ostaje raspoređena u kristalnoj strukturi, dok druga postaje pokretljiva.
Kako objašnjava Cohen, nova faza ugljika i vodika posebno je zanimljiva zato što gibanje atoma nije potpuno trodimenzionalno. Umjesto toga, vodik se ponajprije kreće duž jasno definiranih helikalnih putanja ugrađenih u uređenu strukturu ugljika. Upravo ta usmjerenost mogla bi biti važna za način na koji se kroz unutrašnjost planeta prenose toplina i električna struja.
Autori smatraju da bi takvo ponašanje moglo utjecati na preraspodjelu energije u unutrašnjosti, električnu vodljivost, a možda i na tumačenje nastanka magnetskih polja u ledenim divovima. Istodobno, rezultati šire i općenitije razumijevanje ponašanja jednostavnih spojeva u ekstremnim uvjetima i pokazuju da se i vrlo jednostavni sustavi mogu organizirati u neočekivano složene faze.
Liu pritom upozorava da su ugljik i vodik među najzastupljenijim elementima u planetarnim materijalima, ali da njihovo zajedničko ponašanje u uvjetima kakvi vladaju u divovskim planetima još nije ni približno do kraja razjašnjeno. Značenje ovog rada zato ne završava na Uranu i Neptunu. Sposobnost prepoznavanja snažno usmjerenih pojava u kondenziranoj tvari mogla bi biti važna i za znanost o materijalima te za inženjerske primjene.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
