Στα βάθη των παγωμένων γιγάντων του ηλιακού μας συστήματος, όπως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας, ενδέχεται να κρύβεται μια άγνωστη μέχρι σήμερα μορφή ύλης. Αυτή η πιθανότητα προκύπτει από νέες προσομοιώσεις σε υπολογιστή που διεξήγαγαν οι επιστήμονες του Ινστιτούτου Carnegie, Cong Liu και Ronald Cohen.
Η μελέτη τους, η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications, υποδηλώνει ότι το υδρίδιο του άνθρακα θα μπορούσε να πάρει μια ασυνήθιστη, σχεδόν μονοδιάστατη υπεριοντική κατάσταση υπό τις έντονες πιέσεις και θερμοκρασίες που επικρατούν βαθιά κάτω από την επιφάνεια αυτών των μακρινών πλανητών.
Γιατί έχει σημασία το εσωτερικό των πλανητών
Μέχρι σήμερα έχουν ανακαλυφθεί περισσότεροι από 6.000 εξωπλανήτες, και ο αριθμός αυτός συνεχίζει να αυξάνεται. Για να κατανοήσουν καλύτερα πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται οι πλανήτες, ερευνητές από τους κλάδους της αστρονομίας, της πλανητικής επιστήμης και των γεωεπιστημών συνεργάζονται ολοένα και περισσότερο.
Συνδυάζοντας παρατηρήσεις, πειράματα και θεωρητικά μοντέλα, στοχεύουν στην αποκάλυψη των φυσικών διεργασιών που διαμορφώνουν τους πλανήτες, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο δημιουργούνται τα μαγνητικά πεδία. Αυτό το αυξανόμενο ενδιαφέρον επεκτείνεται επίσης στα κρυμμένα στρώματα στο εσωτερικό πλανητών και φεγγαριών του δικού μας ηλιακού συστήματος.
Η μελέτη όσων συμβαίνουν βαθιά κάτω από την επιφάνεια μπορεί να προσφέρει στοιχεία για τη συμπεριφορά των πλανητών και να βοηθήσει τους επιστήμονες να αξιολογήσουν αν μακρινοί κόσμοι θα μπορούσαν να υποστηρίξουν ζωή.
Στρώματα «θερμού πάγου» στο εσωτερικό των παγωμένων γιγάντων
Τα δεδομένα για την πυκνότητα του Ουρανού και του Ποσειδώνα υποδηλώνουν ότι αυτοί οι πλανήτες περιέχουν ασυνήθιστα εσωτερικά στρώματα που συχνά περιγράφονται ως «θερμοί πάγοι». Αυτές οι περιοχές βρίσκονται κάτω από τις εξωτερικές ατμόσφαιρες υδρογόνου και ηλίου και πάνω από τους στερεούς πυρήνες.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτά τα στρώματα αποτελούνται από νερό (H2O), μεθάνιο (CH4) και αμμωνία (NH4). Ωστόσο, οι ακραίες συνθήκες σε αυτά τα περιβάλλοντα πιθανότατα αναγκάζουν αυτές τις γνώριμες ενώσεις να μετατραπούν σε εξωτικές και άγνωστες μορφές.
Προσομοίωση ακραίων πλανητικών συνθηκών
Οι έντονες πιέσεις και θερμοκρασίες στο εσωτερικό των παγωμένων γιγάντων μπορούν να παράγουν καταστάσεις της ύλης που δεν υπάρχουν στη Γη. Για να το διερευνήσουν αυτό, οι Liu και Cohen χρησιμοποίησαν υπολογιστές υψηλών επιδόσεων και εργαλεία μηχανικής μάθησης για να τρέξουν λεπτομερείς κβαντικές προσομοιώσεις του υδριδίου του άνθρακα (CH).
Μοντελοποίησαν συνθήκες που κυμαίνονται από περίπου 5 έως 30 εκατομμύρια φορές την ατμοσφαιρική πίεση της Γης (500 έως 3.000 gigapascal) και θερμοκρασίες μεταξύ 4.000°C και 5.700°C (περίπου 4.000 έως 6.000 Kelvin).
Μια παράξενη «σπειροειδής» υπεριοντική κατάσταση
Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν μια εντυπωσιακή δομή: τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν ένα διατεταγμένο εξαγωνικό πλαίσιο, ενώ τα άτομα υδρογόνου κινούνται μέσα σε αυτό ακολουθώντας σπειροειδείς διαδρομές. Αυτό δημιουργεί μια σχεδόν μονοδιάστατη υπεριοντική κατάσταση.
Τα υπεριοντικά υλικά είναι ασυνήθιστα επειδή συμπεριφέρονται εν μέρει ως στερεά και εν μέρει ως υγρά. Ένας τύπος ατόμων παραμένει «κλειδωμένος» στη θέση του μέσα σε μια κρυσταλλική δομή, ενώ ένας άλλος τύπος κινείται ελεύθερα μέσα σε αυτήν.
«Αυτή η νέα, προβλεπόμενη φάση άνθρακα-υδρογόνου είναι ιδιαίτερα εντυπωσιακή επειδή η ατομική κίνηση δεν είναι πλήρως τρισδιάστατη», εξήγησε ο Cohen. «Αντίθετα, το υδρογόνο κινείται κατά προτίμηση κατά μήκος καλά ορισμένων ελικοειδών διαδρομών, ενσωματωμένων μέσα σε μια διατεταγμένη δομή άνθρακα».
Επιπτώσεις στη θερμότητα, τον ηλεκτρισμό και τα μαγνητικά πεδία
Η κατευθυντική κίνηση των ατόμων υδρογόνου θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις στον τρόπο με τον οποίο ρέει η ενέργεια στο εσωτερικό των πλανητών. Ενδέχεται να επηρεάζει τον τρόπο μεταφοράς της θερμότητας και του ηλεκτρισμού μέσα από αυτά τα βαθιά στρώματα.
Αυτές οι ιδιότητες είναι ιδιαίτερα σημαντικές για να κατανοήσουμε πώς ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας δημιουργούν τα μαγνητικά τους πεδία, τα οποία διαφέρουν με ασυνήθιστους τρόπους από εκείνα άλλων πλανητών.
Τα ευρήματα υπογραμμίζουν επίσης πώς απλά στοιχεία μπορούν να συμπεριφέρονται με εκπληκτικά περίπλοκους τρόπους υπό ακραίες συνθήκες. Ακόμη και βασικές ενώσεις, όπως ο άνθρακας και το υδρογόνο, μπορούν να σχηματίσουν εξαιρετικά οργανωμένες και απροσδόκητες δομές.
«Ο άνθρακας και το υδρογόνο είναι από τα πιο άφθονα στοιχεία στα πλανητικά υλικά, ωστόσο η συνδυασμένη συμπεριφορά τους στις συνθήκες των γιγάντιων πλανητών απέχει πολύ από το να είναι πλήρως κατανοητή», κατέληξε ο Liu.
Πέρα από το να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν μακρινούς πλανήτες, αυτή η έρευνα θα μπορούσε επίσης να προσφέρει γνώσεις για προόδους στην επιστήμη των υλικών και τη μηχανική, αποκαλύπτοντας νέους τύπους κατευθυντικής συμπεριφοράς της ύλης.