اكتشاف شكل غريب من الجليد لا يذوب إلا عند درجات حرارة شديدة الحرارة

تحدث أشياء غريبة داخل الكواكب، حيث تتعرض المواد المألوفة لضغوط شديدة وحرارة.

من المحتمل أن تتراقص ذرات الحديد داخل النواة الداخلية الصلبة للأرض، ومن المحتمل أن يتشكل الجليد الثقيل الأسود الساخن – وهو صلب وسائل في نفس الوقت – داخل عمالقة الغاز الغنية بالمياه، أورانوس ونبتون.

قبل خمس سنوات، أعاد العلماء إنشاء هذا الجليد الغريب، الذي يُطلق عليه الجليد الفائق التأين، لأول مرة في التجارب المعملية؛ وقبل أربع سنوات أكدوا وجوده وبنيته البلورية.

ثم في العام الماضي فقط، اكتشف الباحثون في عدة جامعات في الولايات المتحدة ومختبر مركز ستانفورد الخطي للمسرع الخطي في كاليفورنيا (SLAC) مرحلة جديدة من الجليد فائق التأين.

إن اكتشافهم يعمق فهمنا لسبب وجود مثل هذا في أورانوس ونبتون المجالات المغناطيسية خارج نطاق kilter مع أقطاب متعددة.

من محيطنا الأرضي، سوف نغفر لك الاعتقاد بأن الماء هو جزيء بسيط على شكل مرفق يتكون من ذرة أكسجين واحدة مرتبطة بذرتي هيدروجين تستقر في موضع ثابت عندما يتجمد الماء.

الجليد الفائق يختلف بشكل غريب، ومع ذلك قد يكون من بين الأشكال الأكثر وفرة من الماء في الكون – من المفترض أنه لا يملأ الأجزاء الداخلية لأورانوس ونبتون فحسب، بل يملأ أيضًا الكواكب الخارجية المماثلة.

تتمتع هذه الكواكب بضغوط شديدة تبلغ مليوني ضعف الضغط الجوي للأرض، كما أن باطنها حار مثل سطح الشمس، وهو المكان الذي تصبح فيه المياه غريبة.

وأكد العلماء في عام 2019 ما أكده الفيزيائيون توقعت في عام 1988: هيكل حيث يتم حبس ذرات الأكسجين في الجليد فائق التأين في شبكة مكعبة صلبة، بينما يتم إطلاق ذرات الهيدروجين المتأينة، وتتدفق عبر تلك الشبكة مثل الإلكترونات عبر المعادن.

وهذا يعطي الجليد الفائق التأين خصائصه الموصلة. إنه أيضًا يرفع درجة انصهارها بحيث يظل الماء المتجمد صلبًا عند درجات الحرارة المرتفعة.

في هذه الدراسة الأخيرة، قامت الفيزيائية أريانا جليسون من جامعة ستانفورد وزملاؤها بقصف شرائح رقيقة من الماء، محصورة بين طبقتين من الماس، ببعض أشعة الليزر القوية بشكل يبعث على السخرية.

أدت موجات الصدمة المتعاقبة إلى رفع الضغط إلى 200 جيجا باسكال (2 مليون ضغط جوي) ودرجات حرارة تصل إلى حوالي 5000 كلفن (8500 درجة فهرنهايت) – وهي درجة حرارة أعلى من درجات حرارة تجارب 2019، ولكن عند ضغوط أقل.

“تتطلب الاكتشافات الحديثة للكواكب الخارجية الغنية بالمياه والتي تشبه نبتون فهمًا أكثر تفصيلاً للمخطط المرحلي للكوكب. [water] في ظروف الضغط ودرجة الحرارة ذات الصلة بتصميماتها الداخلية للكواكب،” جليسون وزملاؤه شرح في ورقتهم، من يناير 2022.

كشف حيود الأشعة السينية بعد ذلك عن البنية البلورية الساخنة والكثيفة للجليد، على الرغم من الحفاظ على ظروف الضغط ودرجة الحرارة لمدة جزء من الثانية فقط.

وأكدت أنماط الحيود الناتجة أن بلورات الجليد كانت في الواقع مرحلة جديدة تختلف عن الجليد فائق التأين الذي تم رصده في عام 2019. ويمتلك الجليد فائق التأين المكتشف حديثًا، Ice XIX، هيكل مكعب محوره الجسم وزيادة الموصلية مقارنة بسابقه من عام 2019، Ice XVIII.

تعد الموصلية مهمة هنا لأن الجسيمات المشحونة المتحركة تولد مجالات مغناطيسية. هذا هو أساس نظرية الدينامو، الذي يصف كيف تؤدي السوائل الموصلة، مثل عباءة الأرض أو داخل جرم سماوي آخر، إلى ظهور مجالات مغناطيسية.

إذا تم امتصاص المزيد من الأجزاء الداخلية لعملاق جليدي يشبه نبتون بواسطة مادة صلبة طرية، والقليل منها عن طريق سائل دوار، فإنه سيتم تغيير نوع المجال المغناطيسي الناتج.

وإذا كان هذا الكوكب يحتوي في اتجاه قلبه على طبقتين فائقتي التأين ذات موصلية مختلفة، كما قال جليسون وزملاؤه يقترح قد يحتوي نبتون على، ثم يتفاعل المجال المغناطيسي الناتج عن الطبقة السائلة الخارجية مع كل منهما بشكل مختلف، مما يجعل الأمور أكثر غرابة.

جليسون وزملاؤه نستنتج إن الموصلية المعززة لطبقة من الجليد الفائق التأين المشابه لـ Ice XIX من شأنها أن تعزز توليد مجالات مغناطيسية متزعزعة ومتعددة الأقطاب مثل تلك المنبعثة من أورانوس ونبتون.

إذا كان الأمر كذلك، فستكون نتيجة مرضية بعد مرور أكثر من 30 عامًا على تحليق مسبار الفضاء فوييجر 2 التابع لناسا، والذي تم إطلاقه في عام 1977، بالقرب من الأرض. نظامنا الشمسي اثنين عمالقة الجليد و قياس هُم مجالات مغناطيسية غير عادية للغاية.

ونشرت الدراسة في التقارير العلمية.