Дълбините на Нептун и Уран може да съдържат суперйони

Вътрешността на ледените гигантски планети като Уран и Нептун може да е дом на досега неизвестно състояние на материята, според нови компютърни симулации на Конг Лиу и Роналд Коен от Карнеги. Тяхната работа, публикувана в Nature Communications, предсказва, че квазиедномерно суперионно състояние на въглероден хидрид съществува при екстремните налягания и температури, наблюдавани дълбоко във вътрешността на тези тела от външната част на Слънчевата система.

Открити са повече от 6000 екзопланети. С нарастването на този брой астрономите, планетарните учени и учените, занимаващи се със Земята, пресичат границите между дисциплините – комбинирайки наблюдения, експерименти и теория – за да определят и проучат факторите, които ни помагат да разберем динамичните процеси, които ги формират, включително генерирането на магнитни полета.

По този начин се засилва интересът към разбирането на процесите, които протичат дълбоко под повърхностите на планетите и луните в нашата Слънчева система, което може да допринесе за разбирането ни за планетарната динамика и дори за обитаемостта на планети в по-отдалечени съседни системи.

Измерванията на плътностите на Уран и Нептун показват, че вътрешността на тези гигантски планети съдържа междинни слоеве от неконвенционални „горещи ледове“,

които се намират под атмосферните обвивки от водород и хелий и над скалистите им ядра. Смята се, че тези слоеве са съставени от вода (H2O), метан (CH4) и амоняк (NH4), но поради екстремните условия се предполага, че биха възникнали екзотични фази.

Физиката в тези региони с високо налягане и висока температура може да доведе до неконвенционални състояния на материята, поради което теоретиците и експериментаторите се опитват да предскажат и възпроизведат това, което би могло да се открие там.

Използвайки високопроизводителни изчисления и машинно обучение, Лиу и Коен извършиха фундаментални квантовофизични симулации на въглероден хидрид (CH) при налягания, вариращи от почти 5 милиона до почти 30 милиона пъти атмосферното налягане (500 до 3000 гигапаскала), и при температури от 6740 до 10 340 градуса Фаренхайт (4000 до 6000 Келвина).

Техните инструменти предсказаха появата на подредена шестоъгълна структура, в която водородните атоми се движат по спираловидни траектории, създавайки квазиедноизмерно суперионно състояние.

Суперйонните материали заемат необичайна междинна позиция между твърдите тела и течностите – един тип атоми остава подреден в кристална структура, а друг става подвижен.

„Тази новопредсказана фаза на въглерод-водород е особено впечатляваща, защото атомното движение не е напълно триизмерно“, обясни Коен. „Вместо това водородът се движи предимно по добре дефинирани спираловидни траектории, вградени в подредена въглеродна структура.“

Тази посока на движението има важни последствия за начина, по който топлината и електричеството се движат през вътрешността на планетите. Такова поведение би могло да повлияе на преразпределението на енергията във вътрешността, на електропроводимостта и вероятно на интерпретацията на генерирането на магнитно поле в ледените гиганти.

Техните открития също разширяват нашето разбиране за поведението на прости съединения при екстремни условия, като предполагат, че дори прости системи могат да се организират в неочаквано сложни фази.

„Въглеродът и водородът са сред най-разпространените елементи в планетарните материали, но тяхното комбинирано поведение при условията на гигантските планети все още е далеч от пълно разбиране“, заключи Лиу.

Отвъд вътрешността на планетите способността да се идентифицират силно насочени възникващи явления в кондензираната материя може да има последствия за науката за материалите и инженерството.