Μια παράξενη νέα κατάσταση ύλης μπορεί να κρύβεται στους πλανήτες Ουρανό και Ποσειδώνα
Η μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, υποδηλώνει ότι ο υδρογονάνθρακας μπορεί να πάρει μια ασυνήθιστη ημι-μονοδιάστατη υπεριοντική κατάσταση υπό τις έντονες πιέσεις και θερμοκρασίες που βρίσκονται πολύ κάτω από την επιφάνεια αυτών των μακρινών πλανητών.
Γιατί τα Εσωτερικά των Πλανητών Έχουν Σημασία
Περισσότεροι από 6.000 εξωπλανήτες έχουν ανακαλυφθεί μέχρι στιγμής, και αυτός ο αριθμός συνεχίζει να αυξάνεται. Για να κατανοήσουν καλύτερα πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται οι πλανήτες, ερευνητές από την αστρονομία, την πλανητική επιστήμη και την επιστήμη της Γης συνεργάζονται όλο και περισσότερο. Συνδυάζοντας παρατηρήσεις, πειράματα και θεωρητικά μοντέλα, στοχεύουν να αποκαλύψουν τις φυσικές διεργασίες που διαμορφώνουν τους πλανήτες, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου δημιουργίας των μαγνητικών πεδίων.
Αυτό το αυξανόμενο ενδιαφέρον επεκτείνεται επίσης στα κρυμμένα στρώματα εντός πλανητών και δορυφόρων του Ηλιακού μας Συστήματος. Η μελέτη του τι συμβαίνει βαθιά κάτω από την επιφάνεια μπορεί να παρέχει στοιχεία για την πλανητική συμπεριφορά, ακόμη και να βοηθήσει τους επιστήμονες να αξιολογήσουν εάν μακρινοί κόσμοι θα μπορούσαν να υποστηρίξουν ζωή.
Στρώματα “Ζεστού Πάγου” Εντός των “Γιγάντων Πάγου”
Τα δεδομένα για την πυκνότητα του Ουρανού και του Ποσειδώνα υποδηλώνουν ότι αυτοί οι πλανήτες περιέχουν ασυνήθιστα εσωτερικά στρώματα που συχνά περιγράφονται ως “ζεστοί πάγοι”. Αυτές οι περιοχές βρίσκονται κάτω από εξωτερικές ατμόσφαιρες υδρογόνου και ηλίου και πάνω από στερεούς πυρήνες.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτά τα στρώματα αποτελούνται από νερό (H2O), μεθάνιο (CH4) και αμμωνία (NH4). Ωστόσο, οι ακραίες συνθήκες σε αυτά τα περιβάλλοντα πιθανότατα ωθούν αυτές τις οικείες ενώσεις σε εξωτικές και άγνωστες μορφές.
Προσομοίωση Ακραίων Πλανητικών Συνθηκών
Η έντονη πίεση και θερμοκρασία εντός των “γίγαντων πάγου” μπορούν να παράγουν καταστάσεις ύλης που δεν υπάρχουν στη Γη. Για να το διερευνήσουν, οι Liu και Cohen χρησιμοποίησαν υπολογιστική ισχύ υψηλής απόδοσης και εργαλεία μηχανικής μάθησης για να εκτελέσουν λεπτομερείς κβαντικές προσομοιώσεις υδρογονανθράκων (CH).
Μοντελοποίησαν συνθήκες που κυμαίνονταν από σχεδόν 5 εκατομμύρια έως σχεδόν 30 εκατομμύρια φορές την ατμοσφαιρική πίεση της Γης (500 έως 3.000 gigapascals) και θερμοκρασίες μεταξύ 6.740 και 10.340 βαθμών Φαρενάιτ (4.000 έως 6.000 Kelvin).
Μια Παράξενη “Σπειροειδής” Υπεριοντική Κατάσταση
Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν μια εντυπωσιακή δομή. Άτομα άνθρακα σχηματίζουν ένα τακτοποιημένο εξαγωνικό πλέγμα, ενώ άτομα υδρογόνου κινούνται μέσα από αυτό σε σπειροειδείς διαδρομές. Αυτό δημιουργεί μια ημι-μονοδιάστατη υπεριοντική κατάσταση.
Τα υπεριοντικά υλικά είναι ασυνήθιστα επειδή συμπεριφέρονται εν μέρει σαν στερεά και εν μέρει σαν υγρά. Ένας τύπος ατόμου παραμένει κλειδωμένος στη θέση του εντός μιας κρυσταλλικής δομής, ενώ ένας άλλος τύπος κινείται ελεύθερα μέσα από αυτήν.
“Αυτή η νέα προβλεπόμενη φάση άνθρακα-υδρογόνου είναι ιδιαίτερα εντυπωσιακή επειδή η ατομική κίνηση δεν είναι πλήρως τρισδιάστατη”, εξήγησε ο Cohen. “Αντίθετα, το υδρογόνο κινείται προτιμησιακά κατά μήκος καλά καθορισμένων ελικοειδών μονοπατιών ενσωματωμένων σε μια τακτοποιημένη δομή άνθρακα”.
Επιπτώσεις για τη Θερμότητα, την Ηλεκτρική Ενέργεια και τα Μαγνητικά Πεδία
Η κατευθυντική κίνηση των ατόμων υδρογόνου θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις στον τρόπο ροής της ενέργειας εντός των πλανητών. Μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο μεταφοράς της θερμότητας και της ηλεκτρικής ενέργειας μέσω αυτών των βαθιών στρωμάτων.
Αυτές οι ιδιότητες είναι ιδιαίτερα σημαντικές για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας παράγουν τα μαγνητικά τους πεδία, τα οποία διαφέρουν με ασυνήθιστους τρόπους από αυτά άλλων πλανητών.
Ευρύτερος Αντίκτυπος πέρα από την Πλανητική Επιστήμη
Τα ευρήματα επίσης τονίζουν πώς απλά στοιχεία μπορούν να συμπεριφέρονται με εκπληκτικά πολύπλοκους τρόπους υπό ακραίες συνθήκες. Ακόμη και βασικές ενώσεις όπως ο άνθρακας και το υδρογόνο μπορούν να σχηματίσουν ιδιαίτερα οργανωμένες και απροσδόκητες δομές.
“Ο άνθρακας και το υδρογόνο είναι από τα πιο άφθονα στοιχεία στα πλανητικά υλικά, ωστόσο η συνδυασμένη τους συμπεριφορά σε συνθήκες γιγαντιαίων πλανητών παραμένει μακριά από την πλήρη κατανόηση”, κατέληξε ο Liu.
Πέρα από το να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν μακρινούς πλανήτες, αυτή η έρευνα θα μπορούσε επίσης να ενημερώσει τις εξελίξεις στην επιστήμη και τη μηχανική των υλικών, αποκαλύπτοντας νέους τύπους κατευθυντικής συμπεριφοράς στην ύλη.