Аномальное состояние материи глубоко внутри Урана: атомы движутся по спирали, нарушая привычные законы физики

В недрах ледяных гигантов Солнечной системы — Урана и Нептуна — скрывается нечто, что не вписывается в привычные представления о том, как должна вести себя материя. Исследователи, изучающие условия внутри этих далёких миров, обнаружили признаки странного вещества, которое ведёт себя как гибрид твёрдого тела и жидкости. Это открытие может наконец объяснить, почему магнитные поля Урана и Нептуна такие «кособокие» — в отличие от земного, они наклонены и смещены относительно центра планет.

Сердце ледяного гиганта

В центре внимания исследователей оказался гидрид углерода — простое, казалось бы, соединение. Но под чудовищным давлением космических глубин с ним начинает происходить нечто необычное.

Конг Лю и Рональд Коэн из Университета Миннесоты сфокусировались на так называемых «горячих льдах» — слоях, погребённых под толщей водорода и гелия в недрах Урана и Нептуна. В этих зонах температура достигает 4000–6000 кельвинов, а давление — от 500 до 3000 гигапаскалей. Это в миллионы раз выше атмосферного давления на Земле.

В таких экстремальных условиях нормальная химия перестаёт работать. Используя квантовые симуляции и искусственный интеллект, команда обнаружила, что гидрид углерода формирует жёсткую гексагональную структуру. Но самое удивительное происходит внутри этой структуры.

Спираль вместо хаоса

Атомы водорода внутри этой кристаллической решётки не движутся хаотично во всех направлениях, как можно было бы ожидать. Они следуют чётким спиралевидным, винтообразным путям сквозь углеродный каркас. Это не трёхмерное движение в привычном смысле. Водород перемещается по строго определённым извилистым траекториям, встроенным в упорядоченную углеродную структуру.

Рональд Коэн описывает это явление: «Эта предсказанная углеродно-водородная фаза особенно поразительна тем, что атомное движение не является полностью трёхмерным. Вместо этого водород движется преимущественно вдоль чётко определённых спиралевидных путей, встроенных в упорядоченную углеродную структуру».

Это состояние материи можно назвать «суперионным» — гибридом твёрдого тела и жидкости, где тяжёлые атомы образуют кристаллическую решётку, а лёгкие ионы свободно текут сквозь неё. Но здесь, в отличие от известных суперионных состояний, поток идёт не хаотично, а по спиральным траекториям.

Разгадка магнитной аномалии

Уран и Нептун давно ставили учёных в тупик. Их магнитные поля в отличие от земного не являются относительно симметричными диполями, расположенными в центре планеты. Они сильно наклонены и смещены. До сих пор не существовало убедительного объяснения этому феномену.

Обнаруженное суперионное состояние гидрида углерода может стать ключом к разгадке. Спиралевидное движение атомов водорода, которое предсказывает модель, кардинально меняет то, как тепло и электричество текут через недра планеты. Поскольку магнитное поле генерируется движением электропроводящей жидкости в ядре, любые изменения в характере этого движения будут влиять на поле.

Если внутри Урана и Нептуна существуют обширные зоны, где углерод и водород находятся в этом странном спиралевидном суперионном состоянии, это может создавать асимметричные потоки заряженных частиц. Именно такие асимметричные потоки и порождают наклонённые и смещённые магнитные поля, наблюдаемые у этих планет.

Углерод в недрах планет

Конг Лю отмечает важность этого открытия: «Углерод и водород — одни из самых распространённых элементов в планетарных материалах, однако их комбинированное поведение в условиях планет-гигантов остаётся далеко не полностью понятым».

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что внутренности ледяных гигантов могут быть гораздо более хаотичными и сложными, чем представлялось ранее. То, что происходит на глубине тысяч километров под облачными вершинами Урана и Нептуна, напрямую влияет на их глобальные свойства, включая загадочные магнитные поля.

Вопрос, который остаётся без ответа, заключается не в том, существует ли это странное состояние материи. Квантовые симуляции убедительно показывают, что оно должно существовать. Вопрос в том, как далеко простираются эти зоны спиралевидного суперионного состояния в недрах планет и какую ещё роль они играют в динамике ледяных гигантов. И если такие экстремальные состояния возможны внутри планет, может ли материя вести себя подобным образом в других, ещё более экзотических условиях Вселенной — например, внутри белых карликов или нейтронных звёзд?