Mokslininkams prisireikė vienų galingiausių lazerių planetoje, tačiau jiems pavyko tai padaryti. Įrodyta, kad „egzistuoja karštas ledas, kuris gali išlikti kietos būsenos net esant tūkstančiams laipsnių karščiui.“
Ką gi mokslininkai pasiekė?
Žemės paviršiuje vandens virimo ir užšalimo taškai kinta nedaug ir paprastai vanduo užverda kai yra labai karšta, o užšąla kai labai šalta. Tačiau abiejų šių būsenų temperatūriniai taškai keičiasi, kintant slėgiui. Štai kodėl esant kalnuose, vandens virimo temperatūra yra mažesnė.
Atvirame kosmose vanduo negali egzistuoti skystoje būsenoje. Net esant -270 laipsnių pagal Celsijų temperatūrai – vidutinei Visatos temperatūrai – vanduo nespėja suformuoti ledo kristalų, o iškart užverda ir išgaruoja.
Tačiau teoriškai įprasta manyti, kad labai aukšto slėgio aplinkoje vanduo pradeda krėsti kvailystes ir jis sukietėja net esant labai aukštai temperatūrai.
Lawrence’o Livermore’o nacionalinės laboratorijos (LLNL) mokslininkai sugebėjo pirmą kartą pastebėti tokią vandens savybę ir ją aprašė praėjusiais metais pasirodžiusiame tyrime.
Mokslininkai sugebėjo sukurti labai keistą ledo tipą „Ice VII“, kuris gali formuotis 1610 km/h greičiu. Tam prireikė 3 gigapaskalių slėgio – 30 000 kartų didesnio už Žemės atmosferos slėgį jūros lygyje – ir lazerių. Susidaręs ledas buvo laidus ne elektronams, bet jonams. Todėl šis ledas dar vadinamas „superjoniniu ledu“.
Dabar mokslininkai patvirtino, jog toliau vykdė eksperimentus ir sukurtą naują ledo formą jau vadina „Ice XVIII“.
Ankstesniame eksperimente tyrėjų komanda galėjo tik stebėti bendras medžiagos savybes, pavyzdžiui: energiją ir temperatūrą, tačiau smulkesnės vidinės detalės išliko nežinomos. Tad mokslininkai sukūrė naują eksperimento metodą ir panaudojo lazerinius impulsus bei rentgeno spindulius, kad atskleistų ledo kristalinės struktūros paslaptis.
„Mes norėjome nustatyti superjoninio vandens atominę struktūrą. Tačiau atsižvelgiant į ekstremalias sąlygas, kuriomis prognozuota, kad ši silpna materijos būsena bus stabili, tai buvo labai sudėtinga užduotis, kuriai reikalingas naujoviškas eksperimento būdas. Nes reikėjo pasiekti itin aukštą slėgį, aukštą temperatūrą bei sudaryti sąlygas fotografuoti atomų struktūras“, – sakė LLNL fizikė Federica Coppari.
Kaip vyko eksperimentas
Tarp dviejų „deimantinių priekalų“ patalpinamas plonas vandens sluoksnis. Tada naudojami šeši milžiniški lazeriai, kurie sukuria seriją bangų impulsų. Palaipsniui didinamas intensyvumas ir taip vanduo suspaudžiamas iki 100-400 gigapaskalių slėgio, kuris už Žemės atmosferos slėgį didesnis 1-4 milijonus kartų.
Tuo pačiu metu lazeriai pakelia mėginio temperatūrą iki 1650-2760 laipsnių pagal Celsijų (Saulės paviršiaus temperatūra yra apie 5505 laipsnius Celsijaus skalėje).
Eksperimentas buvo suprojektuotas taip, kad suslėgtas vanduo užšaltų, tačiau kadangi stabilios slėgio ir temperatūros sąlygos gali būti išlaikytos tik sekundės dalį, fizikai nebuvo tikri, jog kristalai susidarys ir augs.
Todėl fizikai panaudojo lazerius, kurie „padarė 16 papildomų impulsų, susprogdino nedidelį geležies folijos gabalėlį ir taip sukūrė plazmos bangą, kuri preciziškai tiksliu laiku sugeneravo rentgeno spindulių blyksnį“. Dėl difrakcijos šie spinduliai mokslininkams leido iš vidaus pamatyti kristalų struktūrą ir mokslininkai įsitikino, jog suspaustas vanduo iš tiesų buvo užšalęs ir stabilus.
„Išmatuoti rentgeno spindulių difrakcijos rezultatai parodė, kad dėka šio metodo mes galime eksperimento metu stebėti tai, kas vyksta nanosekundžių laiko intervale“, – sakė F.Coparri.
Šie rentgeno spinduliai mokslininkams atskleidė niekada anksčiau nematytą struktūrą – „kubo formos kristalus su deguonies atomais kiekviename kampe ir kiekvienos kraštinės centre.“
„Įrodymas, kad egzistuoja deguonies kristalinės gardelės, pateikia mums paskutinę dėlionės dalį dėl superjoninio vandens ledo. Tai taip pat pateikia papildomų įrodymų dėl pernai mūsų surinktų duomenų apie superjoninį ledą“, – sakė LLNL fizikas Marius Millotas.
Kokia šių tyrimų nauda?
Tyrėjų rezultatai suteikia užuominų, kaip tokie ledo milžinai, kaip Neptūnas ir Uranas, gali turėti tokius keistus magnetinius laukus, kurie pasvirę itin keistais kampas, o magnetinio pusiaujo juosta nekerta planetų centro.
Anksčiau buvo manoma, kad šiose planetose vietoj mantijos egzistavo skystas vandens jonų ir amoniako vandenynas. Tačiau tyrimai parodė, kad šios planetos gali turėti tvirtą mantiją, panašią į Žemės, bet sudarytą iš superjoninio ledo, o ne karštos uolienos. Kadangi superjoninis ledas yra labai laidus, tai gali paveikti planetų magnetinius laukus.
„Kadangi ledas Urano ir Neptūno planetose esančiose sąlygose turi kristalinę gardelę, mes manome, kad superjoninis ledas neturėtų tekėti lyg skystis, kaip kad pavyzdžiui Žemės turima skystos geležies šerdis. Atvirkščiai. Greičiausiai geriausia tai įsivaizduoti, jog superjoninis ledas juda panašiai, kaip Žemės mantija, kuri yra iš tvirtų kietų uolienų, kurios juda ir sukelia didelio masto kovekcinius judesius per geologiškai labai ilgus laiko tarpus“, – sakė M.Millot’as.
Jis dar pridūrė, kad šis atradimas „gali smarkiai paveikti mūsų supratimą apie daugybės mūsų pusbrolių, milžiniškų ledinių planetų, vidinę struktūrą bei jų evoliuciją“.
Su tyrimo rezultatais plačiau galite susipažinti moksliniame žurnale „Nature“.
