Ledyninių milžinių, tokių kaip Neptūnas ir Uranas, gelmėse slėgis ir temperatūra pasiekia tokias kraštutines reikšmes, kad ten esantis vanduo pereina į būseną, kurios natūraliomis sąlygomis Žemėje nesutinkame.
Ši būsena vadinama superjoniniu vandeniu. Tai savotiška ledo forma, tačiau visiškai kitokia nei mums įprastas ledas: ji yra itin karšta ir netgi juoda.
Daugelį dešimtmečių mokslininkai manė, kad būtent superjoninis vanduo Neptūno ir Urano gelmėse gali paaiškinti keistus, netvarkingus magnetinius laukus, kuriuos užfiksavo pro šias planetas praskriejęs zondas „Voyager 2“. Šie laukai išsiskiria tuo, kad nėra tvarkingi ir nesutampa su planetų sukimosi ašimis.
Šiandien jau turime ir eksperimentinių įrodymų, kodėl šis „ledas“ gali sukelti tokius neįprastus magnetinius reiškinius. Pasirodo, jo vidinė struktūra yra gerokai chaotiškesnė, nei manyta anksčiau. 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 tiesų tai kristalinė gardelė, sudaryta iš deguonies atomų, o vandenilio jonai joje juda laisvai ir dėl to medžiaga laidina elektrą.
Ilgą laiką buvo manyta, kad superjoninio vandens deguonies atomai sudaro „tobulą“ kristalinę gardelę. Buvo svarstomi du pagrindiniai variantai: kūno centrinio kubo (BCC) struktūra, kai vienas atomas yra kubo centre, ir paviršinio centrinio kubo (FCC) struktūra, kai atomai išsidėstę kubo veiduose. Abu šie modeliai aprašo tvarkingus, aiškiai apibrėžtus kristalus, kokių ir tikisi kristalų fiziką tiriantys mokslininkai.
Vis dėlto tokie idealizuoti modeliai prastai derėjo su nelygiu, „gumbuotu“ magnetiniu lauku, kurį prie Neptūno ir Urano užfiksavo „Voyager 2“. Dėl to mokslininkai nusprendė praktiškai patikrinti, ar superjoninio vandens gardelė tikrai tokia tvarkinga, kaip teigė teorija.
Pirmasis iššūkis buvo pats superjoninio vandens sukūrimas laboratorijoje. Ši būsena egzistuoja tik esant ypač dideliam slėgiui ir temperatūrai ir akimirksniu išnyksta vos šiems parametrams sumažėjus.
Norint pasiekti milžinišką slėgį, naudojamas deimantinis presas, tiksliau – du vienas prieš kitą nukreipti deimantiniai priekalai. Tarp jų suspaudus mažytį vandens mėginį, pavyko pasiekti maždaug 1,8 milijono atmosferų slėgį.
Tuomet mėginys buvo kaitinamas impulsiniu lazeriu, kol temperatūra pakilo iki maždaug 2500 kelvinų. Tokiomis sąlygomis mokslininkams pavyko suformuoti superjoninio vandens mėginį.
Tačiau vos sumažėjus slėgiui ar temperatūrai, kristalinė struktūra suirdavo. Todėl praėjus vos kelioms trilijonosioms sekundės dalims nuo reikiamų sąlygų pasiekimo, mėginys būdavo apšvitinamas rentgeno spinduliais.
Rentgeno difrakcija – įprastas kristalinių struktūrų tyrimo metodas, leidžiantis tarsi „nufotografuoti“ atomų išsidėstymą kristale. Vis dėlto išanalizavę gautus duomenis tyrėjai suprato, kad rezultatai menkai dera su iki tol vyravusia teorija.
Paaiškėjo, jog deguonies atomų gardelė nėra vienalytė ir tvarkinga. Vietoje ryškių, aiškių linijų matomas išplaukęs, išsiliejęs raštas: dalis sluoksnių atitinka paviršinio centrinio kubo (FCC) struktūrą, o kiti labiau primena kitokį išsidėstymą – vadinamą šešiakampe tankiausia gardele (HCP).
Iš pradžių, pirmą kartą atlikę eksperimentą Kalifornijoje, mokslininkai šiuos „netvarkingus“ duomenis palaikė aplinkos trikdžiais ar matavimo klaida. Norėdami tuo įsitikinti, jie kreipėsi į kitą linijinį greitintuvą Vokietijoje ir pakartojo bandymus jau visiškai kitoje laboratorinėje aplinkoje.
Rezultatai sutapo, todėl tapo aišku: matoma netvarka nėra triukšmas ar klaida – ji atspindi tikrąją superjoninio vandens kristalinę sandarą.
Toliau keisdami slėgį ir temperatūrą, tyrėjai pastebėjo dar vieną svarbų reiškinį: didėjant slėgiui, skirtingos gardelės pradėdavo persidengti. Tai prieštaravo ankstesniam įsitikinimui, kad egzistuoja aiški fazių riba, kurioje kristalinė struktūra „persijungia“ iš vieno tipo į kitą staigiai ir tvarkingai.
Visa tai rodo, kad superjoninis vanduo yra 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 išsilaiko vos kelias femtosekundes, nėra tobulas tikrųjų ledinių milžinių gelmių atitikmuo. Gali būti, kad per milijonus metų ten esantis ledas tampa tvarkingesnis. Tačiau gali būti ir priešingai – chaotiškos gardelės išsidėstymo variacijos gali kartotis visame šių planetų gelmių tūryje.
Vis dėlto tokio tipo vandens Žemėje natūraliai niekada nepamatysime. Tačiau jei jis sudaro didelę Neptūno, Urano ir jiems giminingų egzoplanetų vidaus dalį, superjoninis ledas gali būti netgi dažniausia vandens forma visoje Galaktikoje.
Ledinės milžinės sudaro reikšmingą dalį iki šiol aptiktų egzoplanetų. Galbūt taip yra ir todėl, kad dideles planetas, skriejančias santykinai arti savo žvaigždžių, dabartiniais metodais aptikti lengviausia. Kad ir kokia būtų priežastis, tokių pasaulių tikrai nemažai.
Vien tai, kad vanduo – gyvybei Žemėje būtina medžiaga – Visatoje gali egzistuoti tiek daug skirtingų, mums neįprastų formų, jau pats savaime yra stulbinantis ir moksliškai itin reikšmingas faktas.
