Ledyninių milžinių – tokių kaip Neptūnas ir Uranas – gelmėse slėgis ir temperatūra tokie kraštutiniai, kad ten esantis vanduo pereina į būseną, kokios natūraliomis sąlygomis Žemėje nesutinkame.
Ši būsena vadinama superjoniniu vandeniu. Tai tam tikra ledo forma, tačiau visiškai kitokia, nei mums įprastas ledas: ji yra labai karšta ir netgi juoda.
Daug dešimtmečių mokslininkai manė, kad būtent superjoninis vanduo Neptūno ir Urano branduoliuose paaiškina keistus, netvarkingus ir su planetų sukimosi ašimis nesutampančius magnetinius laukus, kuriuos užfiksavo pro šias planetas praskriejęs zondas „Voyager 2“.
Šiandien jau turime ir eksperimentinių įrodymų, kodėl šis ledas sukelia tokius keistus magnetinius reiškinius – pasirodo, jo vidinė struktūra yra gerokai chaotiškesnė, nei manyta. Tai patvirtino Leonas Andriambariarijaona su bendraautoriais iš SLAC Nacionalinės greitintuvo laboratorijos ir Sorbonos universiteto, apie tai paskelbę moksliniame žurnale Nature Communications.
Mokykloje mokomės apie keturias pagrindines medžiagos būsenas: kietąją, skystąją, dujinę ir plazmą. Tačiau esant itin dideliam slėgiui ir temperatūrai vanduo gali egzistuoti superjoninėje fazėje. Iš išorės jis primena kietą kūną, tačiau iš tikrųjų yra kristalinė gardelė, sudaryta iš deguonies atomų, o vandenilio jonai joje juda laisvai ir taip laidina elektrą.
Ilgą laiką buvo manyta, kad superjoninio vandens deguonies atomai sudaro „tobulą“ kristalinę gardelę. Tokios gardelės galėjo būti dviejų tipų: kūno centrinio kubo (angl. body-centered cubic, BCC), kai atomas yra kubo centre, arba paviršinio centrinio kubo (angl. face-centered cubic, FCC), kai atomai išsidėstę kubo veiduose. Abu šie variantai duoda tvarkingas, aiškiai apibrėžtas kristalo briaunas, kokių ir tikisi kristalų fiziką tiriantys mokslininkai.
Tačiau tokie idealūs modeliai sunkiai derėjo su nelygiu, „gumbuotu“ magnetiniu lauku, kurį prie Neptūno ir Urano užfiksavo „Voyager 2“. Todėl mokslininkai nusprendė praktiškai patikrinti, ar superjoninio vandens kristalinė gardelė tikrai yra tokia tvarkinga, kaip teigė teorija.
Tam pirmiausia reikėjo patį superjoninį vandenį laboratorijoje sukurti – o tai labai sudėtinga. Ši būsena egzistuoja tik esant siaubingai aukštai temperatūrai ir slėgiui ir akimirksniu išnyksta, vos šiems parametrams sumažėjus.
Norint pasiekti tokį milžinišką slėgį, naudojamas specialus įrankis – deimantinis presas, tiksliau – du priešpriešiniai deimantiniai priekalai. Tarp jų suspaudus mažytį vandens mėginį, eksperimentuotojams pavyko pasiekti net apie 1,8 mln. atmosferų slėgį.
Tuomet mėginys buvo kaitinamas impulsiniu lazeriu, kol temperatūra pakilo iki maždaug 2500 kelvinų. Esant tokioms sąlygoms, mokslininkams pavyko suformuoti superjoninio vandens mėginį.
Tačiau vos sumažėjus slėgiui ar temperatūrai, kristalinė struktūra subyrėdavo. Todėl praėjus vos keliems trilijonosioms sekundės dalims nuo reikiamų sąlygų pasiekimo, mėginys būdavo apšvitinamas rentgeno spinduliais.
Rentgeno difrakcija – tai įprastas kristalinių struktūrų tyrimo metodas, leidžiantis tarsi „nufotografuoti“ atomų išsidėstymą kristale. Tačiau išanalizavę gautus duomenis, tyrėjai suprato, kad rezultatai menkai dera su iki tol vyravusia teorija.
Paaiškėjo, kad deguonies atomų gardelė nėra vienalytė ir tvarkinga. Vietoje ryškių, aiškių linijų matyti išplaukęs, išsiliejęs raštas: dalis sluoksnių atitinka paviršinio centrinio kubo (FCC) struktūrą, kiti labiau primena kitokį išsidėstymą – vadinamą šešiakampe tankiausia gardele (HCP).
Pirmą kartą eksperimentą atlikę Kalifornijoje, mokslininkai šiuos „netvarkingus“ duomenis iš pradžių palaikė aplinkos trikdžiu ar matavimo klaida. Norėdami tai patikrinti, jie kreipėsi į kitą linijinį greitintuvą Vokietijoje ir pakartojo bandymus jau visai kitoje laboratorinėje aplinkoje.
Tačiau gauti rezultatai sutapo su pirmaisiais. Tuomet tapo aišku, kad matoma netvarka – ne matavimo triukšmas, o tikroji superjoninio vandens kristalinė struktūra.
Toliau keisdami slėgį ir temperatūrą, tyrėjai pastebėjo ir dar vieną įdomų reiškinį: augant slėgiui, skirtingos gardelės pradėdavo persidengti. Tai prieštarauja ankstesniam įsitikinimui, kad esama aiškios fazių ribos, kurioje kristalinė struktūra „perjungia“ vieną tipą į kitą staigiai ir tvarkingai.
Visa tai rodo, kad superjoninis vanduo yra labai sudėtinga, netvarkinga medžiaga. Būtent ši chaotiška sandara gali padėti paaiškinti Neptūno ir Urano „kreivus“, su sukimosi ašimi nesuderintus magnetinius laukus.
Žinoma, eksperimentas, kuriame superjoninio vandens būsena laboratorijoje palaikoma vos kelias femtosekundes, nėra tobulas tikrųjų ledinių milžinių gelmių atvaizdas. Gali būti, kad per milijonus metų ten esantis ledas tampa labiau tvarkingas. O gal ir ne – gal chaotiškos gardelės išsidėstymo variacijos atsitiktinai kartojasi visame šių planetų gelmių tūryje.
Vis dėlto šio tipo vandens Žemėje natūraliai niekada nepamatysime. Tačiau jei jis sudaro didžiąją Neptūno, Urano ir jiems giminingų egzoplanetų vidaus dalį, tai superjoninis ledas gali būti netgi dažniausia vandens forma visoje Galaktikoje.
Ledinės milžinės sudaro reikšmingą dalį iki šiol aptiktų egzoplanetų. Galbūt taip yra ir dėl to, kad tokias dideles, santykinai arti savo žvaigždžių skriejančias planetas dabartiniais metodais lengviausia aptikti – bet kuriuo atveju jų tikrai nemažai.
Vien tai, kad vanduo – gyvybei Žemėje būtina medžiaga – gali egzistuoti tiek skirtingų, mums neįprastų formų visoje Visatoje, jau yra labai įdomus ir stulbinantis mokslinis faktas.
