Последние компьютерные исследования Научного института Карнеги показывают, что в глубоких недрах ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, общие элементы углерод и водород могут существовать в беспрецедентной форме. Ожидается, что это новое состояние материи изменит представление научного сообщества о внутренней структуре планет и механизме формирования магнитных полей.

Исследование провели Конг Лю и Рональд Коэн из Института науки Карнеги, а соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature Communications. Используя высокопроизводительные вычисления и исходя из первых принципов квантовой механики, они систематически моделировали поведение простых углеводородов (химическая формула — CH, то есть углеводороды) в условиях экстремально высокого давления и высоких температур.

Уран и Нептун классифицируются как «ледяные гиганты». Существующие наблюдения и модели показывают, что внутреннюю структуру этих двух планет можно грубо разделить на три слоя: самый внешний слой представляет собой водородно-гелиевую атмосферу, зажатую толстым слоем «горячего льда», а самый внутренний слой представляет собой плотное ядро, состоящее из горных пород и металлов. Научное сообщество обычно считает, что эти «горячие льды» в основном состоят из воды (H₂O), метана (CH₄) и аммиака (NH₄); но при экстремальном давлении и температуре эти вещества будут проявлять совершенно иную структуру и свойства, чем при нормальной температуре и давлении.

Моделирование Конг Лю и Коэна охватывало диапазон давлений от 500 до 3000 гигапаскалей (что в 5–30 миллионов раз превышает атмосферное давление Земли) и диапазон температур от 4000 до 6000 Кельвинов (от 6740 до 10340 градусов по Цельсию), условия, сравнимые с условиями глубоко на ледяных планетах-гигантах. Результаты показывают, что в таких внутренних условиях планеты углеводороды могут образовывать соединения с гексагональной структурой решетки: углерод образует спиральные цепочки снаружи, а водород образует спиральные цепочки внутри и мигрирует направленно по этим спиральным путям.

В этой структуре материал демонстрирует так называемое «квазиодномерное суперионное состояние». Суперионные вещества представляют собой особое состояние между твердыми телами и жидкостями: некоторые атомы кристаллической решетки остаются упорядоченными в твердом состоянии, тогда как другие атомы могут свободно перемещаться в кристаллической решетке, как жидкость. Исследования показывают, что в этой новой фазе углеродный скелет сохраняет упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру, в то время как атомы водорода в основном движутся направленно по заранее определенным спиральным каналам, а не диффундируют изотропно в трехмерном пространстве.

Коэн отметил, что причина, по которой эта недавно предсказанная углеродно-водородная фаза «особенно привлекательна», заключается в том, что движение ее атомов не является полностью трехмерным, а сильно смещено в сторону определенных спиральных траекторий. Эта направленная миграционная особенность очень редко встречается в планетарных материалах. Это «квазиодномерное» суперионное поведение означает, что способ переноса тепла и заряда внутри таких материалов может сильно отличаться от традиционного понимания изотропных высокотемпературных жидкостей.

Это открытие имеет множество потенциальных последствий для планетарной науки. Прежде всего, направленная миграция водорода в кристаллической решетке напрямую повлияет на теплопроводность и электропроводность глубинного материала, изменив тем самым способ передачи внутренней энергии планеты из глубокого слоя во внешний слой. Во-вторых, это аномальное проводящее свойство может быть связано с особой формой магнитного поля ледяных планет-гигантов, что помогает объяснить более искаженные и эксцентричные наблюдательные характеристики структур магнитного поля Урана и Нептуна по сравнению с Землей и газовыми планетами-гигантами (такими как Юпитер и Сатурн).

В последние годы число подтвержденных экзопланет превысило 6000 и продолжает расти, что способствует более тесному сотрудничеству в области астрономии, планетологии и науки о Земле. Посредством сочетания наблюдений, экспериментов и теоретического моделирования исследователи пытаются охарактеризовать материальное состояние и физические процессы внутри планеты, включая механизм генерации магнитного поля и эволюцию глубоких слоистых структур. Моделирование «невидимых» областей глубоко внутри планет и лун Солнечной системы не только поможет понять поведение самих этих небесных тел, но также, как ожидается, даст ключ к разгадке таких проблем, как внеземная обитаемость.

Лю Цун отметил, что углерод и водород являются одними из двух наиболее распространенных элементов в материалах планет, но поведение этой простой комбинации элементов в условиях гигантских планет еще далеко не полностью изучено. Эта работа показывает, что даже самые простые химические системы могут создавать сложные и неожиданные кристаллические и динамические структуры под экстремальными давлением и температурой, расширяя границы понимания научными исследователями материального мира высокого давления.

Помимо своего значения в планетарной физике, этот материал с сильными свойствами направленного переноса может также найти перспективы применения в более широких областях материаловедения и техники. Например, в сценариях, требующих высокой анизотропной электрической или теплопроводности, ожидается, что этот тип суперионного материала станет теоретической основой для новых функциональных материалов, предоставляя новые идеи для будущей энергетики и проектирования электронных устройств.