Vědci objevili podivné skupenství hmoty uvnitř Uranu a Neptunu

Hluboko uvnitř vzdálených ledových obrů naší Sluneční soustavy se známé prvky mohou chovat neobvyklým způsobem. Hluboké nitro ledových obrů, jako jsou Uran a Neptun, může obsahovat dříve neznámou formu hmoty, jak vyplývá z nového počítačového výzkumu vědců Cong Liu a Ronald Cohen z Earth and Planets Laboratory of Carnegie Institution for Science.

Jejich studie, publikovaná v Nature Communications, naznačuje, že hydrid uhlíku může za extrémních tlaků a teplot, které se nacházejí hluboko pod povrchem těchto vzdálených planet, tvořit kvazijednorozměrný superionický stav.

Dosud bylo identifikováno více než 6 000 exoplanet a toto číslo stále roste. Aby lépe porozuměli těmto světům, vědci z astronomie, planetární vědy a vědy o Zemi stále více spolupracují. Kombinací pozorování, experimentů a teoretických modelů se snaží odhalit procesy, které formují planety, včetně toho, jak se tvoří magnetická pole.

Toto rostoucí úsilí také zvýšilo zájem o to, co se děje hluboko uvnitř planet a měsíců v naší Sluneční soustavě. Studium těchto skrytých oblastí může zlepšit naše chápání chování planet a dokonce může poskytnout vodítka o obyvatelnosti těles mimo Zemi.

Ilustrace v úvodu článku znázorňuje předpokládané hexagonální sloučeniny hydridu uhlíku za vnitřních podmínek podobných těm v Neptunu. V této struktuře uhlík tvoří vnější spirální řetězce (žlutě) a vodík tvoří vnitřní spirální řetězce (modře), což je v souladu s kvazijednorozměrným superionickým chováním identifikovaným v počítačových simulacích.

Záhada „horkých ledů“
Data o Uranu a Neptunu ukazují, že jejich nitra pravděpodobně obsahují vrstvy neobvyklých „horkých ledů“. Tyto vrstvy se nacházejí mezi vnější vodíkovou a heliovou atmosférou a vnitřními kamennými jádry planet. Vědci se domnívají, že jsou tvořeny vodou (H2O), metanem (CH4) a amoniakem (NH4), ale za takových extrémních podmínek mohou tyto materiály nabývat neznámých forem.

Při velmi vysokých tlacích a teplotách se hmota může chovat neočekávaným způsobem. Proto vědci používají experimenty i teoretické modely k prozkoumání toho, co by mohlo existovat uvnitř těchto planet.

Aby to prozkoumali, Liu a Cohen využili pokročilé výpočty a strojové učení k provedení kvantových simulací hydridu uhlíku (CH). Zkoumali podmínky v rozmezí od přibližně 5 milionů do 30 milionů násobku zemského atmosférického tlaku (500 až 3 000 gigapascalů) a teplot mezi 4 000 až 6 000 Kelvinů.

Jejich výsledky poukazují na vznik strukturované hexagonální mřížky, kde atomy vodíku cestují po spirálovitých drahách. Tento pohyb vytváří kvazijednorozměrný superionický stav.

Superionické materiály spadají mezi pevné látky a kapaliny. V těchto systémech jedna sada atomů zůstává uzamčena v krystalové struktuře, zatímco jiná sada se volně pohybuje skrz ni.

„Tato nově předpovězená fáze uhlík-vodík je obzvláště pozoruhodná, protože atomový pohyb není plně trojrozměrný,“ vysvětlil Cohen. „Vodík se místo toho pohybuje přednostně po dobře definovaných spirálovitých drahách vložených do uspořádané uhlíkové struktury.“

Důsledky pro planetární vědu
Směrový pohyb vodíku v tomto materiálu by mohl ovlivnit tok tepla a elektřiny uvnitř planet. To zase může ovlivnit distribuci energie; to, jak dobře tyto oblasti vedou elektřinu, a to, jak vědci interpretují magnetická pole ledových obrů.

Studie také ukazuje, že i jednoduché chemické systémy mohou za extrémních podmínek vyvíjet složité struktury, což rozšiřuje znalosti výzkumníků o hmotě za vysokého tlaku a teploty.

„Uhlík a vodík patří mezi nejhojnější prvky v planetárních materiálech, přesto jejich společné chování v podmínkách obřích planet zdaleka není plně pochopeno,“ uzavřel Liu.

Kromě planetární vědy by objevování materiálů se silně směrovými vlastnostmi mohlo být užitečné i v materiálové vědě a inženýrství, kde by takové chování mohlo vést k novým technologiím.

Zdroj: https://scitechdaily.com/scientists-uncover-strange-new-state-of-matter-inside-uranus-and-neptune/

autor: František Martinek