Υπεριοντικό νερό: Η «παράδοξη» τέταρτη μορφή της ύλης που κυριαρχεί στους παγωμένους γίγαντες

Ξεχάστε όσα γνωρίζατε για τις τρεις καταστάσεις του νερού. Πέρα από το υγρό, το στερεό και το αέριο, υπάρχει μια τέταρτη, εξωτική μορφή που αψηφά την κοινή λογική: το υπεριοντικό νερό. Πρόκειται για μια κατάσταση της ύλης όπου το νερό είναι ταυτόχρονα στερεό και υγρό, μια φάση που, αν και σπάνια στη Γη, ενδέχεται να αποτελεί την πιο κοινή μορφή νερού σε ολόκληρο το Ηλιακό μας Σύστημα.

Πρόσφατα, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων, με επικεφαλής ερευνητές από το Εργαστήριο LULI της École Polytechnique στη Γαλλία και το Πανεπιστήμιο του Ρόστοκ στη Γερμανία, κατάφερε να ρίξει φως στη μυστηριώδη δομή αυτού του υλικού. Η ανακάλυψή τους, που δημοσιεύθηκε στο έγκριτο περιοδικό Nature Communications, προσφέρει την πρώτη λεπτομερή ματιά στο πώς συμπεριφέρεται το νερό κάτω από ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, δίνοντας επιτέλους απαντήσεις για τα παράξενα μαγνητικά πεδία πλανητών όπως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας.

Τι είναι το υπεριοντικό νερό;

Φανταστείτε έναν κόσμο όπου ο πάγος καίει και το υγρό παραμένει άκαμπτο. Στο υπεριοντικό νερό, τα άτομα οξυγόνου «κλειδώνουν» σε ένα σταθερό κρυσταλλικό πλέγμα (όπως συμβαίνει στον πάγο), ενώ τα ιόντα υδρογόνου κινούνται ελεύθερα ανάμεσά τους, ρέοντας σαν υγρό.

Αυτή η διττή φύση προσδίδει στο υλικό μοναδικές ιδιότητες: ενώ είναι δομικά στερεό, η ροή των ιόντων υδρογόνου το καθιστά εξαιρετικά αγώγιμο στον ηλεκτρισμό. Αυτή ακριβώς η αγωγιμότητα είναι το κλειδί για την κατανόηση των εσωτερικών μηχανισμών των γιγάντιων πλανητών.

Η «μαύρη» φάση και το πείραμα των εκατομμυρίων ατμοσφαιρών

Για πολλές δεκαετίες, η ύπαρξη του υπεριοντικού νερού ήταν απλώς μια θεωρητική πρόβλεψη. Ωστόσο, η πειραματική επιβεβαίωση της δομής του παρέμενε άπιαστο όνειρο, καθώς απαιτούνται συνθήκες που θυμίζουν το κέντρο της Γης: πιέσεις άνω του 1,5 εκατομμυρίου ατμοσφαιρών και θερμοκρασίες χιλιάδων βαθμών Κελσίου.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τα ισχυρότερα laser ακτίνων Χ στον κόσμο —στις εγκαταστάσεις SLAC στην Καλιφόρνια και European XFEL στη Γερμανία— για να αναδημιουργήσουν αυτές τις ακραίες συνθήκες. Συμπιέζοντας δείγματα νερού ανάμεσα σε διαμάντια και βομβαρδίζοντάς τα με κρουστικά κύματα λέιζερ, κατάφεραν να «φωτογραφίσουν» τη δομή των ατόμων για κλάσματα του δευτερολέπτου.

Τα αποτελέσματα ήταν αναπάντεχα. Αντί για μια καθαρή, ομοιόμορφη κρυσταλλική δομή που περίμεναν οι επιστήμονες, αποκάλυψαν ένα «μικτό» και χαοτικό πλέγμα. Τα άτομα οξυγόνου δεν σχηματίζουν ένα τέλειο κύβο, αλλά εναλλάσσονται μεταξύ διαφορετικών γεωμετρικών μοτίβων (κυβικών και εξαγωνικών), δημιουργώντας αυτό που οι ερευνητές ονόμασαν «δομική διαταραχή».

Γιατί μας νοιάζει ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας;

Η σημασία της ανακάλυψης ξεπερνά τα εργαστήρια φυσικής. Ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας, οι δύο «παγωμένοι γίγαντες» του Ηλιακού μας Συστήματος, διαθέτουν μαγνητικά πεδία που συμπεριφέρονται παράδοξα: δεν είναι ευθυγραμμισμένα με τον άξονα περιστροφής τους και μοιάζουν να παράγονται μακριά από τον πυρήνα τους.

Το υπεριοντικό νερό δίνει τη λύση. Αν το εσωτερικό αυτών των πλανητών αποτελείται σε μεγάλο βαθμό από αυτό το υλικό, όπως υποστηρίζουν πλέον τα μοντέλα, τότε τα αγώγιμα ρεύματα των ιόντων υδρογόνου λειτουργούν ως ένα τεράστιο δυναμό, γεννώντας αυτά τα παράξενα μαγνητικά πεδία.

Μια ματιά στους εξωπλανήτες

Η έρευνα αυτή δεν αφορά μόνο τη γειτονιά μας. Καθώς οι αστρονόμοι ανακαλύπτουν χιλιάδες εξωπλανήτες, πολλοί από τους οποίους ανήκουν στην κατηγορία των «μίνι-Ποσειδώνων», η κατανόηση του υπεριοντικού νερού γίνεται κρίσιμη για την περιγραφή της σύνθεσης και της εξέλιξής τους.