Νέα υπεριονική μορφή ύλης φαίνεται να λύνει το μυστήριο με τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα

Σύνοψη

• Νέα έρευνα της Carnegie Science εντοπίζει μια εντελώς άγνωστη «υπεριονική» κατάσταση της ύλης στο εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα.
• Υπό ακραία πίεση (έως 3.000 GPa) και θερμοκρασία (6.000 Kelvin), το υδρίδιο του άνθρακα αποκτά οιονεί μονοδιάστατη υπεριονική συμπεριφορά.
• Τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν ένα σταθερό εξαγωνικό πλέγμα, ενώ το υδρογόνο ρέει μέσα από αυτό ακολουθώντας αυστηρά σπειροειδείς τροχιές.
• Η ανακάλυψη δίνει σαφείς απαντήσεις για τα ασυνήθιστα, λοξά μαγνητικά πεδία των παγωμένων γιγάντων και την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα.
• Τα ευρήματα επιτεύχθηκαν μέσω ενός συνδυασμού κβαντικής φυσικής, προσομοιώσεων υψηλής υπολογιστικής ισχύος και μοντέλων μηχανικής μάθησης.

Οι πλανήτες που βρίσκονται στις παρυφές του Ηλιακού μας Συστήματος συνεχίζουν να κρύβουν άγνωστες πτυχές της φυσικής και της χημείας. Βαθιά στο εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα, τα χημικά στοιχεία που γνωρίζουμε στη Γη αναγκάζονται να λειτουργήσουν υπό το βάρος ασύλληπτων πιέσεων και θερμοκρασιών. 

Μια πρόσφατη δημοσίευση στο Nature Communications από τους ερευνητές Cong Liu και Ronald Cohen του ινστιτούτου Carnegie Science ρίχνει φως στο τι ακριβώς συμβαίνει στον πυρήνα αυτών των παγωμένων γιγάντων, αποκαλύπτοντας μια δομή που διευρύνει την κατανόησή μας για τη συμπυκνωμένη ύλη. Μέσα από εργαλεία κβαντικής φυσικής και προσομοιώσεις υψηλής υπολογιστικής ισχύος, ανακαλύφθηκε μια ολότελα νέα οιονεί μονοδιάστατη υπεριονική κατάσταση του υδριδίου του άνθρακα.

Βαθιά στο εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα, σε πιέσεις 500 έως 3.000 GPa και θερμοκρασίες 4.000 έως 6.000 Kelvin, το υδρίδιο του άνθρακα μετατρέπεται σε ένα οιονεί μονοδιάστατο υπεριονικό υλικό. Σε αυτή την υβριδική φάση, ο άνθρακας διατηρεί ένα άκαμπτο εξαγωνικό πλέγμα, ενώ το υδρογόνο ρέει αδιάκοπα μέσα από αυτό, ακολουθώντας αυστηρά σπειροειδείς τροχιές.

Οι αστρονόμοι γνωρίζουν εδώ και δεκαετίες ότι η σύσταση των γιγάντων αερίου και πάγου διαφοροποιείται αισθητά από αυτή των βραχώδων πλανητών. Τα δεδομένα από τη μέτρηση της πυκνότητας του Ουρανού και του Ποσειδώνα υποδεικνύουν την ύπαρξη εσωτερικών ενδιάμεσων στρωμάτων, ακριβώς κάτω από την εξωτερική ατμόσφαιρα υδρογόνου και ηλίου, τα οποία αποτελούνται από αυτό που η επιστημονική κοινότητα ονομάζει «καυτούς πάγους» (hot ices). Πρόκειται ουσιαστικά για ένα μείγμα νερού, μεθανίου και αμμωνίας.

Σε αυτά τα πλανητικά βάθη, η πίεση κυμαίνεται από σχεδόν 5 εκατομμύρια έως 30 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική πίεση της Γης στο επίπεδο της θάλασσας. Αντίστοιχα, η εσωτερική θερμοκρασία αγγίζει ή και ξεπερνά την επιφανειακή θερμοκρασία του Ήλιου. Υπό αυτές τις ακραίες συνθήκες, οι συμβατικοί κανόνες της χημείας καταρρέουν. Ενώσεις που στην επιφάνεια του πλανήτη μας υφίστανται αυστηρά ως αέρια ή υγρά, εκεί μεταμορφώνονται σε εξωτικές φάσεις συμπυκνωμένης ύλης. Η ανάλυση της συμπεριφοράς τους απαιτούσε μέχρι πρότινος αμιγώς θεωρητικά μοντέλα, αλλά πλέον οι σύγχρονοι υπερυπολογιστές επιτρέπουν την ανασύνθεση αυτών των περιβαλλόντων με απόλυτη μαθηματική ακρίβεια.

Η μεθοδολογία και τα ευρήματα της προσομοίωσης

Για να χαρτογραφήσουν την αντίδραση των στοιχείων, οι Liu και Cohen αξιοποίησαν προηγμένα μοντέλα μηχανικής μάθησης σε άμεσο συνδυασμό με αλγορίθμους κβαντικής μηχανικής, εστιάζοντας τη μελέτη τους στο υδρίδιο του άνθρακα (ένα απλό μόριο αποτελούμενο από άνθρακα και υδρογόνο). Το επιστημονικό ερώτημα ήταν εξαιρετικά περίπλοκο στην επίλυση: πώς ακριβώς διατάσσονται τα άτομα αυτών των δύο αφθονότατων στοιχείων όταν δεχθούν τη μόνιμη, συνθλιπτική πίεση του πυρήνα ενός πλανήτη μεγέθους του Ποσειδώνα;

Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων απέδειξαν την εμφάνιση ενός ιδιότυπου υπεριονικού υλικού. Τα υπεριονικά υλικά αντιπροσωπεύουν μια ενδιάμεση φυσική κατάσταση, η οποία ακροβατεί μεταξύ στερεού και υγρού. Σε αυτά, ένα συγκεκριμένο είδος ατόμου "κλειδώνει" γεωμετρικά και δημιουργεί ένα σταθερό κρυσταλλικό πλέγμα (επιδεικνύοντας συμπεριφορά στερεού), ενώ το έτερο είδος ατόμου αποδεσμεύεται από τους δεσμούς του και αποκτά ικανότητα ελεύθερης κίνησης μέσα στο πλέγμα (επιδεικνύοντας συμπεριφορά υγρού).

Η συγκεκριμένη ανακάλυψη του ινστιτούτου Carnegie έφερε στο φως μια δομή με τεράστια μηχανική ιδιαιτερότητα. Το υδρογόνο δεν κινείται τυχαία και προς κάθε κατεύθυνση στο χώρο (πλήρως τρισδιάστατη κίνηση), όπως συνηθίζεται να συμβαίνει σε άλλα υπεριονικά μοντέλα, αλλά αντιθέτως, η ροή του είναι εντόνως κατευθυντική. Τα άτομα του άνθρακα σχηματίζουν ένα οργανωμένο, εξαγωνικό πλαίσιο λειτουργώντας ως συμπαγείς «εξωτερικές σπείρες», αναγκάζοντας το υδρογόνο να ακολουθήσει συγκεκριμένες, ελικοειδείς διαδρομές εσωτερικά αυτού του πλαισίου.

Ερμηνεύοντας τα μαγνητικά μυστήρια των γιγάντων πάγου

Η τεκμηρίωση αυτής της κατευθυντικής διαδρομής ροής προσφέρει πολύτιμα δεδομένα για τη δομική φυσική των πλανητών, εξηγώντας παρατηρήσεις δεκαετιών που παρέμεναν δυσεπίλυτες. Συγκεκριμένα, ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του Ουρανού και του Ποσειδώνα αφορά την ίδια τη φύση των μαγνητικών τους πεδίων. Σε πλήρη αντίθεση με τη Γη ή τον Δία, τα μαγνητικά πεδία των γιγάντων πάγου δεν ευθυγραμμίζονται με τον άξονα περιστροφής τους, ενώ πηγάζουν από περιοχές εκτός του γεωμετρικού τους κέντρου.

Η ύπαρξη ενός εκτενούς υπεριονικού μανδύα, όπου τα φορτισμένα σωματίδια υδρογόνου κινούνται ομαδικά σε καθορισμένα κανάλια, μεταβάλλει άρδην την ηλεκτρική αγωγιμότητα του πλανητικού εσωτερικού. Η αυστηρά κατευθυντική ροή αυτών των ιόντων δημιουργεί ασύμμετρα ηλεκτρικά ρεύματα, τα οποία με τη σειρά τους δικαιολογούν τα ιδιαίτερα, λοξά μαγνητικά πεδία. Επιπλέον, ο τρόπος που το υδρογόνο διαρρέει το εξαγωνικό πλέγμα άνθρακα μεταφέρει θερμότητα με εξαιρετικά ανομοιόμορφο τρόπο, επηρεάζοντας δραστικά την κατανομή της ενέργειας από τον βαθύ πυρήνα προς την ανώτερη ατμόσφαιρα.

Το κυνήγι της υπερυψηλής πίεσης στα εργαστήρια της Γης

Η επιβεβαίωση παρόμοιων προσομοιώσεων απαιτεί εξαιρετικά πολύπλοκα πειράματα εντός των επίγειων ερευνητικών κέντρων. Για να αναπαραχθούν οι πιέσεις των δεκάδων εκατομμυρίων ατμοσφαιρών που επικρατούν στον Ουρανό, οι φυσικοί καταφεύγουν σε εγκαταστάσεις εξοπλισμένες με συστοιχίες ισχυρών λέιζερ (όπως η National Ignition Facility) ή σε εξειδικευμένες πρέσες με διαμαντένια αμόνια. Εκτοξεύοντας ακτίνες λέιζερ υψηλής ενέργειας πάνω σε μικροσκοπικά δείγματα υλικών, δημιουργούνται κρουστικά κύματα τα οποία συμπιέζουν την ύλη ακαριαία, αναπαράγοντας τις συνθήκες των παγωμένων γιγάντων για ελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου. Μέχρι σήμερα, η συγκεκριμένη μέθοδος είχε καταφέρει να επιβεβαιώσει αποκλειστικά την ύπαρξη του υπεριονικού νερού, γνωστού και ως «πάγος XVIII» (Ice XVIII).

Η ειδοποιός διαφορά με τη νέα έρευνα είναι πως το μείγμα άνθρακα και υδρογόνου δημιουργεί ένα εντελώς νέο παράδειγμα κρυστάλλου, χάρη στην κατευθυντική του ιδιότητα. Αυτό απαιτεί τεχνολογική αναβάθμιση τόσο του εξοπλισμού μέτρησης, όσο και των αντίστοιχων αλγορίθμων που αξιολογούν τα δεδομένα των οπτικών αισθητήρων, παρέχοντας στους φυσικούς έναν ακριβή "χάρτη" του τι ακριβώς πρέπει να αναζητήσουν στις επόμενες εργαστηριακές δοκιμές τους.

Με τη ματιά του Techgear

Η επιστημονική κοινότητα δεν χρειάζεται να περιμένει δεκαετίες για να στείλει ένα διαστημικό σκάφος που θα συνθλιβεί στον πυρήνα του Ποσειδώνα προκειμένου να μετρήσει τη συμπεριφορά του υδρογόνου. Αντιθέτως, εκπαιδεύοντας αλγορίθμους στις αυστηρές αρχές της κβαντομηχανικής, προσομοιώνουμε με ασφάλεια περιβάλλοντα που πρακτικά μας είναι απολύτως μη προσβάσιμα. Το να εξηγείς το μαγνητικό πεδίο ενός πλανήτη μέσω της ανίχνευσης μιας "μονοδιάστατης σπειροειδούς" ροής σωματιδίων, αποτελεί την επιτομή της σύγχρονης έρευνας.

Παράλληλα, τα οφέλη που προκύπτουν για τη βιομηχανία ενέργειας και την τεχνολογία κατασκευής νέων αγώγιμων υλικών μετατρέπουν την αστροφυσική σε πρακτικό εργαλείο για το δικό μας άμεσο τεχνολογικό μέλλον. Η κατανόηση αυτών των σπειροειδών ιονοτικών δομών εξοπλίζει τα εργαστήρια με τα απαραίτητα δεδομένα για τη μετάβαση στην επόμενη γενιά τεχνολογιών (όπως οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης), ένα πεδίο απολύτως κρίσιμο για την τεχνολογική και ενεργειακή στρατηγική των επόμενων ετών.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!