По своей плотности и массе Уран и Нептун сильно отличаются от газовых гигантов типа Юпитера и Сатурна. Под водородно‑гелиевыми атмосферами этих планет расположены так называемые слои «горячих льдов» — не привычный нам твердый лед, а плотные высокотемпературные фазы воды, метана и аммиака в состояниях, которым трудно подобрать земные аналоги.
Чтобы понять, что действительно происходит в таких слоях, ученые Института Карнеги Конг Лю и Рональд Коэн смоделировали поведение простейшего соединения углерода и водорода — карбидоводорода (CH) — при давлении от примерно 500 до 3000 гигапаскалей (это от 5 до 30 миллионов атмосфер) и температурах 4000–6000 K. В подобных условиях вещества на Земле просто не существуют, так как и условий-то таких на нашей планете нет. Поэтому единственный путь выяснить, как будет себя вести подобное вещество в столь экстремальных рамках — квантовые расчеты на суперкомпьютерах с использованием методов машинного обучения.
Расчеты показали, что при таких давлениях и температурах CH переходит в особое суперионное состояние. В нем атомы углерода образуют упорядоченный гексагональный (шестигранный) каркас, похожий на жесткую решетку, а атомы водорода начинают свободно перемещаться внутри него, но не во всех направлениях, а преимущественно вдоль винтовых (спиральных) траекторий. Авторы описывают это как квазиодноразмерное суперионное состояние: структура вещества твердая, но внутри нее по строго заданным путям «текут» ионы водорода.
Суперионные материалы в целом занимают промежуточное положение между твердым телом и жидкостью: в них одна подрешетка атомов остается на местах, другая ведет себя как мобильный «жидкий» компонент. Но в нашем случае добавляется еще одна особенность — строгая направленность движения: ионы не блуждают по кристаллу хаотично, а предпочитают конкретные спиральные каналы.
Свойства горячих льдов могут серьезно влиять на то, как в недрах планеты переносятся тепло и электрический заряд. А уже 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 «аккуратных» полей Земли или Юпитера. Необычные слои суперионных «горячих льдов» с направленным током ионов могут оказаться недостающим звеном в объяснении этих странных магнитных конфигураций.
Авторы работы подчеркивают, что речь пока что идет только о теоретическом предсказании: подтверждение их гипотезы потребует как дальнейших расчетов, так и, по возможности, практических экспериментов, например с использованием алмазных наковален и мощных лазеров. Но уже сейчас работа показывает, насколько разнообразно могут вести 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 теплопереносом.
Ранее ученые обнаружили, что в Уране и Нептуне может быть больше камня, чем льда.
Источник: hi-tech.mail.ru