کشف یخ ابر یونی تازه در اعماق سیاره های یخی

در شرایطی که بیشتر به داستان‌های علمی‌تخیلی شباهت دارد تا کار آزمایشگاهی، آب به چیزی تبدیل می‌شود که نه جامد است و نه مایع؛ ماده‌ای که می‌تواند برداشت ما از فضای عمیق درون غول‌های یخی را دگرگون کند.

این کشف از آزمایشی به دست آمد که در آن قطره‌های بسیار ریز آب آن‌قدر فشرده و گرم شدند که رفتاری کاملا متفاوت از یخ معمولی نشان دادند. پژوهشگران با استفاده از سندان‌های الماسی، فشارهایی بیش از ۲۰۰ گیگاپاسکال، یعنی حدود ۲٫۳ میلیون برابر فشار جو زمین، ایجاد کردند و با لیزرهای متمرکز دما را به بیش از ۲۶۰۰ کلوین رساندند. سپس چارچوب اتمی ماده را با پرتو ایکس سنکروترونی بسیار متمرکز بررسی کردند.

پژوهشگران به سرپرستی الکسی فورستیه تشکیل یخ ابر‌یونی با ساختار شش‌گوش فشرده، یا اچ‌سی‌پی، را در فشارها و دماهای بسیار شدید مشاهده کردند؛ فازی که نظریه‌ها مدت‌ها آن را پیش‌بینی کرده بودند، اما تا امروز هرگز به‌روشنی در آزمایشگاه دیده نشده بود.

آنچه یخ ابر‌یونی را تا این حد عجیب می‌کند، ماهیت دوگانه آن است: اتم‌های اکسیژن در جای خود قفل می‌شوند و یک شبکه بلوری می‌سازند، در حالی که هسته‌های هیدروژن، در اصل پروتون‌ها، مانند یک مایع درون آن شبکه جریان پیدا می‌کنند. همین تحرک، ویژگی‌های الکتریکی و انتقالی این ماده را از هر جامد آشنایی متمایز می‌کند.

رقص دو‌به‌دوی اکسیژن و هیدروژن در یخ ابر‌یونی.

پژوهش‌های آزمایشگاهی پیشین پیش‌تر یک آرایش ابر‌یونی مکعبی وجوه‌مرکز، یا اف‌سی‌سی، را آشکار کرده بودند. اما در آزمایش‌های فورستیه، الگوهای پراش پرتو ایکس از نوع دیگری از چیدمان لایه‌های اکسیژن خبر دادند: الگوی شش‌گوش فشرده که با افزایش فشار و دما پدیدار شد و شدت گرفت. در حدود ۱۷۰۰ کلوین، شبکه نشانه‌هایی سازگار با آغاز رفتار ابر‌یونی نشان داد. در بازه تقریبی ۲۲۰۰ تا ۲۶۰۰ کلوین و در فشارهای بالاتر از ۱۹۷ گیگاپاسکال، سیگنال اچ‌سی‌پی بر طیف‌ها غالب شد.

گذار از اف‌سی‌سی به اچ‌سی‌پی در مقیاس اتمی ظریف است؛ در واقع تغییری در نحوه روی‌هم‌نشستن لایه‌های مشابهی از کره‌های اکسیژن رخ می‌دهد. اما ظریف بودن به معنای بی‌اهمیت بودن نیست. موادی با آرایش‌های اتمی متفاوت می‌توانند رسانایی الکتریکی و تغییر شکل در برابر تنش را به شیوه‌هایی کاملا متفاوت تجربه کنند. اگر یخ ابر‌یونی اچ‌سی‌پی بار الکتریکی را متفاوت از خویشاوند اف‌سی‌سی خود هدایت کند یا از نظر مکانیکی رفتار دیگری نشان دهد، مدل‌های مربوط به جابه‌جایی بار و گرما در گوشته‌های اورانوس و نپتون نیز باید بازنگری شوند.

شرایطی که پژوهشگران در آن فاز تازه یخ اچ‌سی‌پی را مشاهده کردند، با مثلث‌ها و دایره‌های پر نشان داده شده است و پیدایش آن را در فشارها و دماهای بسیار شدید نشان می‌دهد. 

چرا این موضوع اهمیت دارد؟ چون این دو سیاره رفتار عجیبی دارند. میدان‌های مغناطیسی آن‌ها به شکل غیرمعمولی کج و از مرکز جابه‌جا هستند و در مقایسه با دوقطبی منظم‌تری که در زمین می‌بینیم، ساختاری آشفته‌تر دارند. یکی از ایده‌های اصلی این است که شکل‌های عجیب و رسانای یخ آب در اعماق این سیاره‌ها به تولید چنین میدان‌های نامعمولی کمک می‌کنند. کشف یک فاز پایدار تازه از یخ ابر‌یونی، قطعه جدیدی به این پازل علمی اضافه می‌کند.

مسیر آزمایشگاهی رسیدن به این نتیجه ترکیبی از نیروی عظیم و دقت بالا بود. الماس‌ها فشار را فراهم کردند، لیزرها گرما را، و سنکروترون قله‌های پراش را آشکار کرد؛ ردپاهای بسیار کوچک از نظم اتمی. این گروه حتی داده‌های قدیمی‌تر را دوباره بررسی کرد و یک قله پراش کم‌جان را در فشار بالاتر از ۱۳۰ گیگاپاسکال یافت که اکنون می‌توان آن را نشانه اولیه‌ای از اچ‌سی‌پی دانست؛ شواهدی که نشان می‌دهد این فاز شاید پیش‌تر هم تولید شده، اما تشخیص داده نشده بود.

با این حال، هنوز کارهای زیادی باقی مانده است. این مقاله کشف ساختاری را گزارش می‌کند و مختصات فشار و دمایی را که اچ‌سی‌پی در آن پدیدار می‌شود ارائه می‌دهد، اما پرسش‌هایی درباره میزان رسانایی الکتریکی یا شکل‌پذیری مکانیکی این فاز تازه و همچنین آسانی تبدیل رفت‌وبرگشتی آن به اف‌سی‌سی در شرایط متغیر همچنان بی‌پاسخ مانده‌اند. نویسندگان از پژوهش‌های نظری و آزمایشگاهی بعدی استقبال می‌کنند تا این ویژگی‌ها نقشه‌برداری شوند و مرزهای پایداری این فاز دقیق‌تر مشخص شود.

در نگاه نخست، این فقط یک بازآرایی اتمی است. اما در مقیاس سیاره‌ای، می‌تواند قواعد بازی را تغییر دهد.

فورستیه و همکارانش یافته‌های خود را در سال ۲۰۲۶ در نشریه فیزیکال ریویو لترز منتشر کردند. گام بعدی این است: فهمیدن اینکه این یخ وقتی درون یک سیاره فعال است، واقعا چه کاری می‌تواند انجام دهد.