– ilyen anyag rejtőzhet az Uránusz és a Neptunusz mélyén
Az Uránusz és a Neptunusz „jégóriás” elnevezése könnyen azt a képet keltheti, hogy két hatalmas, megfagyott világról van szó. Belsejükben azonban nincs olyan jég, amilyet a földi körülmények között ismerünk. A rendkívüli nyomás és a több ezer fokos hőmérséklet hatására a víz olyan anyagállapotokba kerülhet, amelyekben egyszerre mutat szilárd és folyadékszerű tulajdonságokat. Francia kutatók most laboratóriumban is megfigyelték az egyik régóta feltételezett változatot: a hatszöges kristályszerkezetű szuperionos jeget.
A kísérletben két gyémánt apró csúcsa közé zártak rendkívül kis mennyiségű tiszta vizet, majd összenyomták és lézerrel felhevítették. A nyomás elérte a 200 gigapascalt, vagyis a földi légköri nyomás közel kétmilliószorosát, a hőmérséklet pedig meghaladta az 1800 kelvint, ami körülbelül 1530 Celsius-foknak felel meg. Ilyen körülmények között a hétköznapi értelemben vett szilárd, folyékony és gáz-halmazállapot már nem írja le megfelelően a víz viselkedését.
A szuperionos jég oxigénatomjai rendezett kristályrácsot alkotnak, ezért az anyag szerkezetének van szilárd váza. A hidrogénatomok protonjai ugyanakkor kiszabadulnak a vízmolekulák megszokott kötéseiből, és gyorsan mozognak az oxigénrács üregei között. Az anyag tehát megtartja a kristály alakját, miközben egyik alkotóeleme folyadékszerűen áramlik benne. Ez a protonmozgás nagy ionos vezetőképességet adhat a szuperionos jégnek.
A szuperionos vízjég létezését korábbi számítások és kísérletek már alátámasztották, de a kristályrács pontos szerkezete még nem volt teljesen tisztázott. A legtöbb korábbi modellben az oxigénatomok lapcentrált köbös rácsba rendeződtek. Az új kísérlet azt mutatta, hogy 1800 kelvin felett és hozzávetőleg 200 gigapascalnál a hatszögesen szoros illeszkedésű szerkezet válhat uralkodóvá. Ebben az oxigénatomok rétegei más sorrendben helyezkednek el, mint a köbös változatban.
A kutatók szinkrotronból származó nagy energiájú röntgensugárzást irányítottak a mindössze körülbelül 12 mikrométeres mintára. A kristályrácsról szóródó röntgensugarak jellegzetes mintázatából meg lehetett határozni az oxigénatomok elrendeződését. A mérések szerint az átalakulás során az oxigénatomok rendezett rétegei összehangoltan elcsúsznak, és a köbös kristályrács hatszöges szerkezetté rendeződik át. Hasonló szerkezeti átalakulások fémötvözetekben is előfordulnak, itt azonban szélsőséges hőmérsékleten és nyomáson lévő vízben figyelték meg. A hatszöges fázis nyomai már a 130–200 gigapascal közötti tartományban megjelentek, 200 gigapascal felett pedig ez a szerkezet vált meghatározóvá. A szuperionos állapot jelenlétére a szokatlan hőtágulás is utalt. A megfigyelés így összekapcsolta a kristályszerkezet átrendeződését a protonok nagy mozgékonyságával.
Az eredmény az Uránusz és a Neptunusz belső felépítésének megértéséhez adhat új támpontot. A két bolygó külső hidrogén–hélium légköre alatt valószínűleg forró, sűrű réteg található, amely főként vízből, ammóniából és metánból, valamint ezek nagy nyomáson létrejövő bomlástermékeiből áll. A bolygók elnevezésében szereplő „jég” ezért összetételi kategória: olyan illékony vegyületeket jelent, amelyek a Naprendszer hidegebb részein megfagyhatnak, de a bolygók mélyén forró, sűrű anyagállapotban vannak jelen.
A Voyager–2 mérései szerint mindkét jégóriás mágneses tere szokatlanul erősen megdőlt a forgástengelyhez képest, és a mágneses tér középpontja is jelentősen eltolódik a bolygó geometriai középpontjától. Ez arra utal, hogy a mágneses teret létrehozó dinamó nem egy mélyen fekvő, központi fémes mag körül működik, mint a Föld esetében, hanem egy sekélyebb, vastag és elektromosan vezető rétegben.
A mozgékony protonokat tartalmazó szuperionos jég részt vehet ebben a vezető tartományban. Ha a hatszöges változat protonvezetése, viszkozitása vagy hőszállítása eltér a köbös fázisétól, akkor a bolygóbelsőben kialakuló áramlások és elektromos áramok szerkezete is megváltozhat. Ez hatással lehet a mágneses tér alakjára, valamint arra, hogyan távozik a hő az Uránusz és a Neptunusz belsejéből.
A közvetlen bolygófizikai következtetésekkel ugyanakkor óvatosan kell bánni. A laboratóriumi minta tiszta vízből állt, miközben a jégóriások mélyének anyaga több összetevő összetett keveréke lehet. Az ammónia, a metán és más anyagok módosíthatják a fázishatárokat, a kristályszerkezetet és a protonok mozgását. A kísérlet ezért nem készítette el az Uránusz vagy a Neptunusz belsejének pontos másolatát, de megmutatta, hogy az ott elképzelhető nyomás- és hőmérsékleti tartományban a víz képes felvenni a korábban főként elméletből ismert hatszöges szerkezetet.
A felfedezés az exobolygók vizsgálatában is hasznos lehet. A Tejútrendszerben gyakoriak a Földnél nagyobb, a Neptunusznál kisebb bolygók, amelyek közül sok jelentős vízkészlettel rendelkezhet. Belsejükben többféle szuperionos réteg alakulhat ki, amelyek befolyásolják a bolygó hűlését, mágneses terét és hosszú távú fejlődését. Ezeket a belső rétegeket távcsövekkel nem láthatjuk, de tömegükből, sugarukból, légkörükből és esetleges mágneses környezetükből következtethetünk rájuk.
A laboratóriumban létrehozott anyag így egy olyan világba enged betekintést, ahol a több mint 1500 Celsius-fokos „jégben” rendezett oxigénrács marad fenn, miközben protonok áramlanak rajta keresztül. Az Uránusz és a Neptunusz mélye nem fagyott és mozdulatlan tartomány lehet, hanem forró, vezető és folyamatosan átalakuló anyagokból álló belső óceán, amely a bolygók különös mágneses terét is formálhatja.
Források: Physical Review Letters, American Physical Society
