Компьютерное моделирование обнаружило гибридную форму материи в недрах Урана и Нептуна

На глубине многих тысяч километров под облачными вершинами Урана и Нептуна, где давление сокрушает любую земную породу, а температура раскаляет вещество до состояния, не встречающегося на поверхности нашей планеты, скрывается нечто, чего учёные прежде не видели. Компьютерное моделирование, проведённое исследователями из Института Карнеги, показало: углерод и водород под воздействием чудовищных сил могут образовать структуру, которая одновременно является и твёрдым телом, и жидкостью.

Ледяные гиганты и их «горячие льды»

Уран и Нептун относятся к классу планет, которые астрономы называют ледяными гигантами. Под их внешними оболочками из водорода и гелия, простирающимися на тысячи километров, находятся слои вещества, которые учёные описывают как «горячие льды». Это не лёд в привычном понимании — замёрзшая вода при минусовой температуре. Это вода, метан и аммиак, сжатые до плотности металла и разогретые до тысяч градусов. В таких условиях привычные соединения ведут себя необычно.

Исследователи Конг Лю и Рональд Коэн решили заглянуть глубже. Их интересовало, что происходит с соединением углерода и водорода — химической связкой, которая на Земле образует простейший углеводород, метан. При давлениях, в сотни тысяч раз превышающих атмосферное, и температурах в тысячи градусов метан перестаёт быть самим собой.

Условия эксперимента на компьютере

Лю и Коэн использовали мощные вычислительные системы и алгоритмы машинного обучения для квантового моделирования поведения атомов углерода и водорода. Они задали параметры, соответствующие недрам ледяных гигантов: давление от пятисот до трёх тысяч гигапаскалей — что в пять-тридцать миллионов раз выше атмосферного давления на Земле. Температуру — от четырёх до шести тысяч кельвинов, или от шести тысяч семисот сорока до десяти тысяч трёхсот сорока градусов по Фаренгейту.

Гибридная структура: спирали в клетке

Результат моделирования превзошёл ожидания. Атомы углерода выстроились в упорядоченную гексагональную решётку — своего рода клетку из шестиугольников. Сквозь эту неподвижную решётку, по спиральным траекториям, движутся атомы водорода. Они не привязаны к определённым местам, как в обычном кристалле. Они текут, как жидкость, но внутри твёрдого каркаса.

Учёные назвали это состояние квази-одномерной суперионной фазой. Суперионные материалы известны науке: в них один тип атомов зафиксирован в кристаллической решётке, а другой — свободно перемещается. Но до сих пор такое движение было трёхмерным — атомы могли двигаться в любом направлении. В новой структуре движение водорода ограничено: он может скользить только вдоль спиральных путей, встроенных в углеродный каркас.

Почему это важно для планет

Такое направленное движение атомов водорода — не просто любопытный физический курьёз. Оно меняет то, как тепло и электричество переносятся внутри планеты. В обычных материалах тепло распространяется равномерно во все стороны. В суперионной фазе со спиральными каналами оно может течь по определённым направлениям, создавая анизотропию — неравномерность свойств в разных направлениях.

Это напрямую связано с загадкой магнитных полей Урана и Нептуна. В отличие от Земли, чьё магнитное поле создаётся движением расплавленного железа во внешнем ядре и примерно выровнено с осью вращения, магнитные поля ледяных гигантов ведут себя странно. Они смещены относительно центра планеты, не совпадают с осью вращения и, возможно, генерируются не в ядре, а в слоях «горячего льда». Если внутри этих слоёв электрический ток может течь только в определённых направлениях — вдоль спиральных путей, проложенных атомами водорода, — это могло бы объяснить аномальную геометрию магнитных полей.

Значение за пределами планетологии

Открытие Лю и Коэна выходит далеко за рамки изучения Урана и Нептуна. Оно показывает, что даже простейшие элементы — углерод и водород, одни из самых распространённых во вселенной, — могут в экстремальных условиях образовывать сложные и неожиданные структуры. Это напоминание о том, что материя способна принимать формы, которые невозможно воспроизвести в земных лабораториях, но которые могут быть нормой для глубин планет-гигантов.

Более шести тысяч экзопланет уже обнаружено за пределами Солнечной системы. Многие из них — тёплые и холодные нептуны, планеты размером между Землёй и Ураном. Понимание того, что происходит внутри Урана и Нептуна, помогает учёным строить модели для этих далёких миров. А это, в свою очередь, приближает ответ на вопрос: какие из них могут иметь условия, подходящие для жизни?

Спиральные туннели для водорода в углеродной решётке — возможно, лишь одна из многих экзотических форм материи, скрытых в недрах планет. Но она уже заставила исследователей пересмотреть представления о том, как тепло и электричество ведут себя в мирах, которые мы никогда не сможем посетить. И подсказывает: природа всегда сложнее, чем кажется с поверхности.