یخی که "به داغی خورشید" است برای نخستین بار در آزمایشگاه ساخته شد

* هم جامد است و هم مایع، ۶۰ برابر چگال‌تر از یخ معمولی آب است، و در دماهایی نزدیک به دمای سطح خورشید ساخته می‌شود.

نمایی از شبیه‌سازی رایانه‌ای که اتم‌های هیدروژن را
مانند مایعی شناور درون شبکه‌ی جامد اکسیژن در یخ
ابریونی نشان می‌دهد

این یخِ ابریونی است (اَبَر-یونی، superionic) و دانشمندان برای نخستین بار آن را در آزمایشگاه ساخته‌اند.

از مدت‌ها پیش گمان می‌رفت که این گونه‌ی پرفشارِ یخِ آب در دل اورانوس و نپتون وجود داشته باشد. ولی تاکنون وجودش در همین حد نظری مانده بود.

ماریوس میلوت، فیزیکدان در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور کالیفرنیا و نویسنده‌ی اصلی این پژوهش می‌گوید: «ما به شواهد تجربی برای یخ ابریونی دست یافتیم و نشان دادیم که این پیش‌بینی‌ها تنها در شبیه‌سازی‌ها پدید نمی‌آیند بلکه رفتار باورنکردنی آب در آن شرایط عملا رخ می‌دهد.»

۳۰ سال پیش بود که دانشمندان حالتی شگفت از آب را پیش‌بینی کردند که در آن، آب همزمان هم جامد است و هم مایع. این حالت همچنین بسیار چگال‌تر از یخ معمولی آبست زیرا در گرما و فشار بی‌اندازه بالا ساخته می‌شود، مانند شرایطی که در دل سیاره‌های غول‌پیکر یافته می‌شود. در حالت ابریونی، هیدروژن و اکسیژن درون مولکول‌های آب رفتار شگفت‌انگیزی پیدا می‌کنند، یون‌های هیدروژن مانند یک مایع درون یک شبکه‌ی جامدِ بلورِ اکسیژن حرکت می‌کنند.

ساختن این یخ کار پیچیده‌ای بود. نخست دانشمندان آب را به اندازه‌ای فشردند که به یک بلور مکعبی فرانیرومند تبدیل شد، بلوری متفاوت با بلور یخ معمولی که ما می‌بینیم. آنها برای این کار آب را به کمک دو سلول سندانی الماس، با فشار ۲.۵ گیگاپاسکال فشردند، فشاری حدود ۲۵۰۰۰ برابر فشار هوای زمین. سپس با بهره از لیزر، گرما و فشار را به طور ناگهانی باز هم افزایش دادند (شوک گرما و شوک فشار). هر یک از ساختارهای بلور یخ تا شش تپ لیزر دریافت کرد و به فشاری بیش از ۱۰۰ برابر رسید.

میلوت می‌گوید: «از آنجایی که ما پیش‌تر آب را فشرده بودیم، شوک گرمایی کمتری نسبت به زمانی که آب مایع در دمای اتاق را شوک فشار می‌دادیم به کار رفت.» این روش تازه به پژوهشگران امکان داد تا نسبت به گذشته، در فشار بالا به حالت‌هایی بسیار سردتر برسند.

هنگامی که یخ ابریونی آماده شد، دانشمندان به سرعت سراغ بررسی ویژگی‌های نوری و هیدرودینامیکی آن رفتند. آنها باید این کار را تنها در ۱۰ تا ۲۰ نانوثانیه انجام می‌دادند، پیش از آن که امواج فشار حالت چگالش را آزاد کرده و آب و الماس‌ها تبخیر شوند. و نتایج شگفت‌انگیز بود. آنها دریافتند که این یخ در دمای باورنکردنی ۴۷۲۵ درجه و ۲۰۰ گیگاپاسکال آب می‌شود [نقطه‌ی ذوب]. این فشار حدود ۲ میلیون برابر فشار هوای زمینست.

ریموند جینلوز، یکی از نویسندگان این پژوهش و فیزیکدان سیاره‌ای در دانشگاه برکلی کالیفرنیا می‌گوید: «... نمی‌شود باور کرد که در این سیاره‌ها، آب در دماهای چندهزار درجه به حالت یخ‌زده وجود داشته باشد، ولی آزمایش‌ها که این را نشان می‌دهند.»

این یافته‌ها می‌توانند آگاهی‌هایی درباره‌ی درون سیاره‌هایی مانند نپتون و اورانوس به ما بدهند. به باور دانشمندان سیاره‌ای، بخش‌های درونی این دو سیاره حدود ۶۵ درصدِ جرمش را آب تشکیل داده، با مقداری متان و آمونیاک.

در پژوهش گذشته به این نتیجه رسیده بودند که دل این سیاره‌ها از شاره‌ی کاملِ انتقال‌دهنده‌ی گرماست. ولی افزودن یخ ابریونی این دیدگاه را تغییر می‌دهد. به گفته‌ی دانشمندان این پژوهش تازه نشانگر وجود یک لایه‌ی به نسبت نازکِ شاره و یک "گوشته‌"ی گسترده از یخ ابریونی است.

این دیدگاه همچنین تاییدیست بر یک شبیه‌سازی رایانه‌ای که یک دهه پیش برای بررسی میدان مغناطیسی شگرف اورانوس و نپتون انجام شده بود. محور مغناطیسی اورانوس ۵۹ درجه با محور چرخش آن زاویه دارد. این کجی در نپتون حدود ۴۷ درجه است. این بسیار بیشتر از کجیِ ۱۱ درجه‌ای محور مغناطیسی زمین است. رفتار میدان‌های مغناطیسی این دو سیاره هم متفاوت است؛ برای نمونه، میدان اورانوس می‌تواند مانند یک لامپ رقص نور خاموش و روشن شود.

یک فضاپیما می‌تواند پژوهش‌های بیشتری درین باره انجام دهد. خوشبختانه ناسا برای اورانوس و/یا نپتون برنامه‌هایی در دهه‌های آینده دارد. در این میان، دانشمندان در تلاشند با بهره گرفتن از فشار بیشتر، شرایط درون سیاره‌های بزرگ‌تری مانند مشتری و کیوان را نیز شبیه‌سازی کنند.

گزارشی بر پایه‌ی این پژوهش در شماره‌ی ماه فوریه‌ی نیچر فیزیک منتشر شده است.

--------------------------------------------

تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

twitter.com/1star_7sky

واژه‌نامه:

water ice - sun - superionic ice - Uranus - Neptune - Marius Millot - Lawrence Livermore National Laboratory - California - planet - hydrogen - oxygen - molecule - ion - diamond - anvil cell - Earth - laser - Raymond Jeanloz - University of California - Berkeley - ammonia - methane - fully fluid - mantle - magnetic field - strobe - NASA - Jupiter - Saturn - Nature Physics

منبع: Space.com

برگردان: یک ستاره در هت آسمان