Fizikai atrado naują ledo formą, kurios temperatūra viršija 2000 °C

Kai išgirstame žodį „ledas“, mintyse dažniausiai iškyla šalčio, žiemos ar šaldiklio vaizdas. Ledas mums atrodo kaip visiškai aiškus dalykas: vanduo sušąla, tampa kietas, o šilumoje ištirpsta. Tačiau fizikos pasaulyje vanduo yra kur kas keistesnis, nei gali pasirodyti iš pirmo žvilgsnio.

Mokslininkai jau seniai žino, kad ekstremaliomis sąlygomis vanduo gali elgtis visiškai kitaip nei mūsų virtuvėje ar gamtoje. Milžiniškas slėgis ir tūkstančių laipsnių temperatūra gali sukurti tokias jo būsenas, kurios skamba beveik kaip mokslinė fantastika. Viena iš jų – superjoninis ledas, galintis egzistuoti net tada, kai temperatūra viršija 2000 °C.

Tai nėra ledas, kurį būtų galima paliesti ranka ar įmesti į stiklinę. Tokia vandens forma atsiranda tik ten, kur sąlygos primena ne Žemės paviršių, o tolimų planetų gelmes.

Kaip ledas gali būti karštesnis už lavą

Iš pirmo žvilgsnio mintis apie daugiau nei 2000 °C temperatūros ledą atrodo absurdiška. Juk įprastomis sąlygomis vanduo tokioje temperatūroje seniai būtų virtęs garais arba suskilęs į sudedamąsias dalis. Tačiau viską pakeičia slėgis.

Kai vanduo suspaudžiamas neįsivaizduojamai stipriai, jo molekulės nebegali elgtis taip, kaip įprastai. Milžiniškas slėgis laiko medžiagą suspaustą, todėl net labai aukšta temperatūra jos paprasčiausiai „neišlaisvina“ į įprastas dujas. Vietoj to atsiranda nepaprasta būsena, kurioje vanduo tampa nei visai kietas, nei visai skystas.

Superjoniniame lede deguonies atomai sudaro tarsi standų karkasą, panašų į kristalinę gardelę. Tuo metu vandenilio jonai juda per šią struktūrą daug laisviau, beveik kaip dalelės skystyje. Būtent dėl tokio judėjimo ši medžiaga gali labai gerai praleisti elektrą.

Kitaip tariant, tai ledas tik pagal struktūrą ir cheminę kilmę, bet ne pagal mūsų kasdienį supratimą. Jis karštas, suspaustas, egzotiškas ir egzistuoja tokiomis sąlygomis, kurių paprastoje laboratorijoje lengvai neatkursi.

Ką naujo pavyko parodyti mokslininkams

Naujausiame eksperimente mokslininkai mažyčius vandens mėginius suspaudė tarp deimantinių antgalių. Toks metodas leidžia sukurti milžinišką slėgį labai mažame plote. Šiuo atveju jis siekė iki 230 gigapaskalių – tai milijonus kartų daugiau nei įprastas atmosferos slėgis.

Tuo pačiu metu mėginiai buvo kaitinami lazeriais. Temperatūra pakilo virš 2600 kelvinų, tai yra daugiau nei 2000 °C. Tokios sąlygos paprastam žmogui sunkiai suvokiamos, tačiau būtent jos gali būti panašios į tas, kurios vyrauja didžiųjų ledinių planetų viduje.

Naudodami itin tikslų rentgeno spindulių tyrimą, fizikai nustatė, kad vanduo perėjo į naują superjoninio ledo struktūrą. Ji vadinama šešiakampe glaudžiai supakuota struktūra. Paprastai tariant, deguonies atomai joje išsidėsto kitaip nei ankstesnėse žinomose superjoninio ledo formose.

Iš šono tai gali atrodyti kaip smulkmena. Tačiau mokslui tokie skirtumai labai svarbūs. Skirtingas atomų išsidėstymas gali lemti, kaip medžiaga praleidžia elektrą, kaip per ją juda šiluma ir kaip ji elgiasi planetų gelmėse.

Kodėl tai svarbu Uranui ir Neptūnui

Superjoninis ledas mokslininkus ypač domina dėl Urano ir Neptūno. Šios planetos vadinamos ledo milžinėmis, tačiau jų viduje nėra paprasto ledo, kokį matome Žemėje. Ten vyrauja milžiniškas slėgis, aukšta temperatūra ir medžiagos būsenos, kurių mūsų kasdienybėje nėra.

Viena didžiausių šių planetų paslapčių – jų magnetiniai laukai. Jie nėra tokie tvarkingi ir simetriški, kaip, pavyzdžiui, Žemės magnetinis laukas. Uranas ir Neptūnas turi keistus, pasislinkusius ir sudėtingus magnetinius laukus, kuriuos paaiškinti nėra paprasta.

Superjoninis ledas gali būti viena iš dėlionės dalių. Kadangi jis gerai praleidžia elektrą, jo judėjimas planetos viduje gali prisidėti prie magnetinio lauko susidarymo. Jei paaiškėja, kad egzistuoja kelios skirtingos superjoninio ledo struktūros, mokslininkams gali tekti tikslinti planetų vidaus modelius.

Tai reiškia, kad toks atradimas nėra tik keistas laboratorinis rekordas. Jis gali padėti geriau suprasti, kas vyksta planetose, esančiose milijardus kilometrų nuo mūsų.

Ar toks ledas gali egzistuoti Žemėje

Įprastomis sąlygomis – tikrai ne. Virtuvėje, šaldiklyje ar net giliausioje žiemos pusnyje tokio ledo niekada nepamatysime. Jam reikia milžiniško slėgio ir labai aukštos temperatūros.

Vis dėlto mokslininkai svarsto, kad kai kurios superjoninio ledo formos galėtų susidaryti ir giliai Žemės viduje, tam tikrose subdukcijos zonose, kur viena tektoninė plokštė panyra po kita. Tai dar viena priežastis, kodėl tokie tyrimai svarbūs ne tik kosmosui, bet ir mūsų planetai.

Jeigu panašios vandens būsenos gali egzistuoti giliuose Žemės sluoksniuose, jos galėtų turėti įtakos šilumos, elektros laidumo ir net kai kurių geologinių procesų supratimui. Kol kas tai nėra kasdienė praktinė žinia, tačiau mokslui tokie atradimai atveria naujas duris.

Kodėl vanduo vis dar stebina mokslininkus

Vanduo atrodo paprastas tik todėl, kad jis mums labai įprastas. Iš tikrųjų tai viena keisčiausių ir įdomiausių medžiagų. Jis plečiasi šaldamas, jo kietoji būsena plūduriuoja skystoje, o ekstremaliomis sąlygomis jis gali virsti medžiaga, kuri vienu metu turi ir kieto kūno, ir skysčio savybių.

Nauja superjoninio ledo forma primena, kad net geriausiai pažįstami dalykai gali slėpti visiškai netikėtą pusę. Tas pats vanduo, kurį geriame kasdien, tolimų planetų gelmėse gali būti karštas, suspaustas ir elektrai laidus „ledas“, padedantis formuoti magnetinius laukus.

Todėl šis atradimas svarbus ne dėl vieno įspūdingo skaičiaus. Taip, ledas, egzistuojantis aukštesnėje nei 2000 °C temperatūroje, skamba neįtikėtinai. Tačiau dar įdomiau tai, kad jis padeda suprasti, kokios keistos gali būti planetų gelmės ir kiek daug apie vandenį mes dar nežinome.