Ερευνητές δημιουργούν υπεριοντικό πάγο 2.000°C αναπαριστώντας τον πυρήνα του Ουρανού!

Σύνοψη

• Επιστήμονες κατόρθωσαν να αναδημιουργήσουν στο εργαστήριο τον «υπεριοντικό πάγο», μια εξωτική κατάσταση του νερού που υφίσταται σε θερμοκρασίες άνω των 2.000 βαθμών Κελσίου υπό ακραίες συνθήκες συμπίεσης.
• Η δομή του νέου υλικού χαρακτηρίζεται από ένα άκαμπτο, στερεό πλέγμα ατόμων οξυγόνου, μέσα στο οποίο τα άτομα υδρογόνου κινούνται ελεύθερα με μορφή υγρού ρευστού, καθιστώντας το υλικό ηλεκτρικά αγώγιμο.
• Η πειραματική διάταξη περιελάμβανε την αρχική συμπίεση δειγμάτων νερού ανάμεσα σε συνθετικά διαμάντια και τον επακόλουθο βομβαρδισμό τους με παλμούς λέιζερ υψηλής ενέργειας για τη δημιουργία κρουστικών κυμάτων.
• Τα εντυπωσιακά ευρήματα προσφέρουν επιτέλους μια μαθηματικά τεκμηριωμένη εξήγηση για τα ασύμμετρα και παράκεντρα μαγνητικά πεδία που καταγράφηκαν από διαστημικές αποστολές στους πλανήτες Ουρανό και Ποσειδώνα.

Η εξερεύνηση των πολύπλοκων εσωτερικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στους μακρινούς γίγαντες αερίων και πάγου του ηλιακού μας συστήματος απαιτούσε ανέκαθεν την ανάπτυξη εξαιρετικά προηγμένων πειραματικών διατάξεων ικανών να προσομοιώσουν συνθήκες απολύτως ασύλληπτες για την ανθρώπινη καθημερινότητα. 

Ερευνητικές ομάδες από κορυφαία ακαδημαϊκά ιδρύματα και εθνικά εργαστήρια των ΗΠΑ κατόρθωσαν να αναδημιουργήσουν με απόλυτη επιτυχία τον αποκαλούμενο υπεριοντικό πάγο, επιβεβαιώνοντας πολυετείς θεωρητικές προβλέψεις σχετικά με την πραγματική κατάσταση της ύλης που κρύβεται βαθιά κάτω από τα πυκνά νέφη πλανητών όπως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας. 

Μέσα από πειράματα τα οποία συνδυάζουν την οπτική συμπίεση υψηλής ισχύος με υπερταχείες μετρήσεις περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ, οι επιστήμονες κατάφεραν να παρατηρήσουν μια εξωτική φάση του νερού όπου συνυπάρχουν ταυτόχρονα τα χαρακτηριστικά ενός άκαμπτου στερεού και ενός δυναμικού υγρού υπό την επίδραση συντριπτικών πιέσεων και θερμοκρασιών που ξεπερνούν κατά πολύ τους 2.000 βαθμούς Κελσίου. 

Η κατανόηση της μοριακής συμπεριφοράς κάτω από τέτοιες ακραίες θερμοδυναμικές παραμέτρους ανατρέπει ριζικά την παραδοσιακή αντίληψη που έχουμε αναπτύξει για τις βασικές καταστάσεις της ύλης και τον τρόπο με τον οποίο το πιο διαδεδομένο στοιχείο της βιόσφαιράς μας συμπεριφέρεται στο ευρύτερο σύμπαν.

Τι είναι ο υπεριοντικός πάγος και πώς αναδιατάσσει τη μοριακή δομή του νερού;

Ο υπεριοντικός πάγος αποτελεί μια εξωτική φάση του νερού (συχνά αναφερόμενη ως Πάγος XVIII) που εμφανίζεται αποκλειστικά σε συνθήκες ακραίας πίεσης άνω των 100 gigapascals και θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 2.000 βαθμούς Κελσίου. Σε αυτή την κατάσταση, οι ομοιοπολικοί δεσμοί καταρρέουν και τα άτομα οξυγόνου σχηματίζουν ένα σταθερό κρυσταλλικό πλέγμα, ενώ τα ιόντα υδρογόνου ρέουν ελεύθερα μέσα στα κενά, καθιστώντας το υλικό εξαιρετικά ηλεκτρικά αγώγιμο.

Στις συνήθεις συνθήκες του πλανήτη μας, γνωρίζουμε καλά ότι τα μόρια του νερού αποτελούνται από ένα άτομο οξυγόνου γερά συνδεδεμένο με δύο άτομα υδρογόνου μέσω ισχυρών ομοιοπολικών δεσμών, διατηρώντας αυστηρά αυτή τη βασική δομή είτε το υλικό βρίσκεται σε υγρή, στερεή ή αέρια μορφή. Όταν όμως η ύλη υποβάλλεται στις αδιανόητες πιέσεις που επικρατούν χιλιάδες χιλιόμετρα κάτω από την ατμόσφαιρα των παγωμένων γιγάντων, οι γνώριμοι ομοιοπολικοί δεσμοί αδυνατούν να διατηρηθούν και καταρρέουν πλήρως κάτω από την πρωτοφανή μηχανική και θερμική καταπόνηση. 

Τα άτομα οξυγόνου, όντας σημαντικά βαρύτερα και μεγαλύτερα σε όγκο, οργανώνονται σε μια εξαιρετικά πυκνή και απόλυτα σταθερή κρυσταλλική δομή κυβικού πλέγματος, η οποία καταφέρνει να παραμένει άκαμπτη παρά την τεράστια θερμική ενέργεια του περιβάλλοντος επειδή η εξωπραγματική πίεση δεν τους επιτρέπει να διασταλούν και να λιώσουν. Αντιθέτως, τα κατά πολύ ελαφρύτερα πρωτόνια του υδρογόνου απελευθερώνονται από τους δεσμούς τους και αποκτούν την εκπληκτική ικανότητα να κινούνται ανεμπόδιστα μέσα από τα μικροσκοπικά κενά αυτού του κρυσταλλικού πλέγματος του οξυγόνου με τεράστιες ταχύτητες, δημιουργώντας ουσιαστικά ένα ρευστό υπερκρίσιμο νέφος υδρογόνου που κυκλοφορεί αδιάκοπα μέσα στο εσωτερικό του στερεού πάγου. 

Η ασταμάτητη ροή αυτών των φορτισμένων σωματιδίων μετατρέπει τον υπεριοντικό πάγο σε έναν εξαιρετικό αγωγό του ηλεκτρισμού, προσεγγίζοντας ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες που η επιστήμη της φυσικής παραδοσιακά αποδίδει σχεδόν αποκλειστικά στα καθαρά μέταλλα.

Η πειραματική διαδικασία συμπίεσης μέσω ισχυρών κρουστικών κυμάτων λέιζερ

Η υλοποίηση ενός τέτοιου ακραίου πειράματος αποτελεί έναν αληθινό θρίαμβο της σύγχρονης εφαρμοσμένης φυσικής, καθώς οι ερευνητικές ομάδες κλήθηκαν να επιλύσουν το δύσκολο τεχνικό πρόβλημα της δημιουργίας και διατήρησης μιας αστροφυσικής πίεσης χωρίς να καταστραφεί ολοσχερώς ο ευαίσθητος εξοπλισμός των μετρήσεων πριν καταφέρουν οι αισθητήρες να καταγράψουν τα κρίσιμα δεδομένα. Αρχικά, οι επιστήμονες επέλεξαν να τοποθετήσουν ένα εξαιρετικά μικροσκοπικό δείγμα καθαρού υγρού νερού ανάμεσα σε δύο επίπεδους άκμονες κατασκευασμένους από άψογα λειασμένο συνθετικό διαμάντι, ασκώντας τεράστια μηχανική πίεση προκειμένου να μετατρέψουν το υγρό αρχικά σε έναν εξαιρετικά πυκνό, παραδοσιακό στερεό πάγο που διατηρείται σε θερμοκρασία δωματίου (γνωστό ως Πάγο VII). Στη συνέχεια, εγκαταστάσεις παγκόσμιου βεληνεκούς όπως το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC στο Stanford επιστράτευσαν τα ισχυρότερα διαθέσιμα οπτικά συστήματα λέιζερ υψηλής ενέργειας προκειμένου να βομβαρδίσουν το ήδη συμπιεσμένο δείγμα με αλλεπάλληλους παλμούς ασύλληπτης ενέργειας οι οποίοι διαρκούν μόλις μερικά νανοδευτερόλεπτα. 

Το άμεσο αποτέλεσμα αυτής της ακαριαίας και βίαιης απελευθέρωσης φωτονικής ενέργειας είναι η δημιουργία μιας καταστροφικής σειράς κρουστικών κυμάτων που διαπερνούν βίαια το δείγμα του πάγου, αυξάνοντας δραματικά και ακαριαία την πίεση σε επίπεδα που φτάνουν ή και ξεπερνούν τις τρία εκατομμύρια γήινες ατμόσφαιρες, την ίδια ώρα που η εσωτερική θερμοκρασία εκτοξεύεται αυτοστιγμεί σε επίπεδα που αγγίζουν το μισό της επιφανειακής θερμοκρασίας του Ήλιου μας. Επειδή αυτή η εξωτική και εξαιρετικά ασταθής κατάσταση της ύλης διατηρείται ακέραιη μόνο για μερικά απειροελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου προτού η ασύλληπτη ενέργεια οδηγήσει το δείγμα σε πλήρη εξάτμιση και καταστροφή, οι ερευνητές χρησιμοποιούν υπερταχείες πηγές φωτός τύπου λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ για να προλάβουν να καταγράψουν την περίθλαση των φωτονίων καθώς περνούν μέσα από το υλικό. Τα πολύπλοκα γεωμετρικά μοτίβα περίθλασης που συλλέγονται από τους υπερευαίσθητους ψηφιακούς αισθητήρες επιβεβαιώνουν αδιαμφισβήτητα τον στιγμιαίο σχηματισμό του κυβικού κρυσταλλικού πλέγματος του οξυγόνου, προσφέροντας στην παγκόσμια επιστημονική κοινότητα την πειραματική απόδειξη για την ύπαρξη του υπεριοντικού πάγου ο οποίος επί δεκαετίες παρέμενε εγκλωβισμένος στη σφαίρα των θεωρητικών μαθηματικών μοντέλων.

Οι επιπτώσεις στην κατανόηση των ανώμαλων πλανητικών μαγνητικών πεδίων

Τα πολύτιμα ευρήματα που προκύπτουν από αυτές τις εξαιρετικά περίπλοκες πειραματικές διατάξεις δεν αποτελούν απλώς μια σημαντική νίκη για τη θεωρητική φυσική συμπυκνωμένης ύλης, αλλά προσφέρουν μια άκρως συνεκτική και μαθηματικά ελεγμένη εξήγηση για ένα από τα μακροβιότερα αστροφυσικά αινίγματα της πλανητολογίας. Οι ιστορικές διαστημικές αποστολές που πέρασαν από το εξωτερικό σύστημα του Ουρανού και του Ποσειδώνα, με αποκορύφωμα τη θρυλική πτήση του διαστημοπλοίου Voyager 2 κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1980, αποκάλυψαν προς τεράστια έκπληξη των αστρονόμων ότι τα μαγνητικά πεδία αυτών των δύο γιγάντων διαφέρουν ριζικά και απόλυτα από το αντίστοιχο δίπολο μαγνητικό πεδίο της Γης, του Δία ή του Κρόνου. Αντί να πηγάζουν κεντρικά από τον βαθύ μεταλλικό πυρήνα και να ευθυγραμμίζονται σε γενικές γραμμές συμμετρικά με τον άξονα περιστροφής του εκάστοτε πλανήτη, τα μαγνητικά πεδία του Ουρανού και του Ποσειδώνα καταγράφηκαν εξαιρετικά κεκλιμένα και εμφανίζονται εντελώς έκκεντρα σε σχέση με τον ισημερινό, δίνοντας την εντύπωση ότι παράγονται σε ένα σχετικά ρηχό, μεταβαλλόμενο στρώμα στο μέσο του εσωτερικού τους και όχι στο κέντρο της μάζας τους.

Η βεβαιωμένη πλέον παρουσία τεράστιων ποσοτήτων υπεριοντικού πάγου σε αυτά ακριβώς τα βάθη του πλανητικού μανδύα παρέχει τον τέλειο φυσικό μηχανισμό για τη συνεχή δημιουργία αυτών των ανώμαλων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Καθώς το παχύ στρώμα του εξωτικού υπεριοντικού νερού περιβάλλει τον βαθύτερο βραχώδη πυρήνα του πλανήτη υφιστάμενο τεράστιες πιέσεις, οι αχανείς ωκεανοί των ελεύθερων πρωτονίων υδρογόνου που ρέουν αδιάκοπα μέσα στο στερεό κρυσταλλικό πλέγμα του οξυγόνου λειτουργούν στην πράξη ως ένα γιγαντιαίο πλανητικό δυναμό το οποίο τροφοδοτείται από την εσωτερική θερμότητα. 

Οι εξαιρετικά περίπλοκες ρευστές κινήσεις αυτών των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων, σε συνδυασμό με την ταχύτατη περιστροφή των πλανητών γύρω από τον άξονα τους, παράγουν πανίσχυρες ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που λόγω της ιδιόρρυθμης γεωμετρίας και της ρηχής κατανομής του υπεριοντικού μανδύα οδηγούν στην παραγωγή των τόσο χαρακτηριστικά ασύμμετρων και παράκεντρων μαγνητικών γραμμών που μετέδωσε το Voyager 2. Ολόκληρη η τεράστια αυτή δεξαμενή αγώγιμου πάγου συμπεριφέρεται πρακτικά ως ένας ασύλληπτου μεγέθους πολύπλοκος ηλεκτρομαγνήτης, ερμηνεύοντας τα δορυφορικά δεδομένα με εντυπωσιακή ακρίβεια και λύνοντας ένα μυστήριο δεκαετιών.