На протяжении почти четырех десятилетий ученые пытались разобраться в особенностях магнитных полей ледяных гигантов Солнечной системы. При проходе «Вояджера-2» мимо Урана и Нептуна выяснилось, что их магнитные поля обладают сложной структурой — у них имеются несколько полюсов, расположенных не по оси вращения: два южных и два северных.
Новое исследование позволяет предположить, что источник этого магнитного беспорядка скрыт в глубинных слоях планет. В отличие от земного ядра, где магнитное поле порождается движением расплавленного железа, в центрах Урана и Нептуна находится суперионная вода, так называемый суперионный лед либо 18-я кристаллическая форма льда. Именно она может быть ответственна за аномальные магнитные характеристики данных планет.
В таком экзотическом состоянии вода формирует жесткую кристаллическую решетку из атомов кислорода, тогда как ионы водорода свободно перемещаются внутри этой структуры, демонстрируя поведение, аналогичное движению электронов, и способность проводить ток. Подобная необычная проводимость может объяснять загадочные магнитные поля некоторых планет, и ученые уже много лет стремятся раскрыть особенности строения и динамики этого состояния.
Чтобы наблюдать суперионную воду, исследователям сначала пришлось построить сложный эксперимент, позволяющий сформировать ее в условиях лаборатории при чрезвычайно высоких давлениях и температурах в вакууме. При этом все измерения требуются провести за доли секунды, пока система не начала разрушаться.
В ходе каждого эксперимента применялись лазерные импульсы, пронизывающие водные образцы и вызывающие плавное увеличение давления. Высокомощные лазеры моделировали температурные режимы, типичные для внутренних областей ледяных гигантов. Таким образом, ученые воссоздали экстремальные условия, царящие в их недрах. Рентгеновская дифракция позволяла отслеживать эволюцию кристаллической структуры вещества под воздействием изменяющихся параметров: температуры, давления и времени.
Полученные данные оказались неожиданными: у суперионной воды отсутствуют четкие фазовые перестройки, а вместо этого наблюдается одновременное наличие нескольких упаковок: разнообразные кубические конфигурации и шестиугольные массивы атомов.
Причина, по которой суперионная вода проявляет такие необычные характеристики, пока остается неизвестной. Однако ее высокая проводимость обусловлена жесткой решеткой кислорода и подвижными атомами водорода. Именно особенности упаковки этого материала оказывают значительное влияние на магнитные поля на планетарном уровне.
Ученые планируют интегрировать полученные данные в численные модели, чтобы углубить понимание данного феномена. В дальнейшем им предстоит непосредственно анализировать электропроводность суперионных структур воды и выяснить, как разнообразие химического состава, например, смеси воды с другими веществами, потенциально существующими во внутренних слоях планет, может изменять свойства материала.