PROUČAVANJE SVEMIRA
Ivan Kremer
Vrući crni led
Počev od Neptuma i Urana...
U radu objavljenom decembra 2025. godine, međunarodni tim naučnika rešio je misteriju tačne strukture stanja vode pri ekstremnim vrednostima temperature i pritiska, vode u takozvanoj superjonskoj fazi. Tim je do dokaze za postojanje mešavine dve različite kristalne strukture prisutne u tom stanju. Voda u ovakvom stanju kolokvijalno se naziva superjonska voda, ili superjonski led, a zbog crne boje, nekad i vrući crni led. Ovakvo stanje kombinuje osobine čvrste i tečne faze, a ekstremni uslovi pri kojima voda postoji u ovom stanju odgovaraju uslovima unutar ledenih divova, planeta Neptuna i Urana. Zbog toga ovo otkriće može imati značajne implikacije za razumevanje ova dva pripadnika Sunčevog sistema, a od posebnog značaja je to da potencijalno objašnjava anomalije koje planetarna magnetna polja Neptuna i Urana pokazuju.
Fazni dijagram vode pri umerenijim vrednostima temperature i pritiska dobro je poznat i predstavlja nešto što se uči u školi. Na osnovu njega znamo na kojim će vrednostima temperature i pritiska voda postojati u kojoj fazi, odnosno kojem agregatnom stanju. Što se tiče vode u čvrstoj fazi, različite klasifikacije poznaju najmanje 19 različitih kristalnih faza vode, odnosno vrsta leda pod različitim termodinamičkim uslovima. Međutim, kada su u pitanju jako visoke vrednosti temperature i pritiska, reda veličine više hiljada stepeni i desetina, ili stotina gigapaskala, stvari nisu do kraja jasne. Tada se postojeći superjonski led smatra zasebnom fazom koja, po osobinama, predstavlja hibrid tečne i čvrste faze. Pri takvim ekstremnim uslovima, molekuli vode grade različite strukture, koje do pomenutog rada nisu bile do kraja razjašnjene. Iako je samo postojanje superjonske vode, kao zasebnog stanja, postulirano još pre četrdesetak godina, tek od 2018. godine naučnici su bili u stanju da proizvedu uzorke i proučavaju njihovu strukturu.
Proučavanja strukture davala su različite rezultate koji su često odskakali od predviđanja računarskih simulacija, ili se pak činili međusobno kontradiktorni. Neki timovi prijavljivali su detekciju jedne kristalne strukture pod određenim uslovima, dok su drugi timovi, pri skoro identičnim uslovima, prijavljivali detekciju potpuno različite strukture. Rezultati ovog rada kompletiraju tumačenja rezultata prethodnih sličnih eksperimenata, rešavajući dileme i detaljno objašnjavajući superjonsku fazu pri pritiscima iznad 150 gigapaskala i temperaturama iznad 2450 kelvina. Objašnjenje koje nude jeste postojanje mešavine dve kristalne strukture, odnosno dva različita rasporeda.
Za šta će se voda „odlučiti“?
Tokom pomenutih eksperimenata, uzorci malih količina vode su postavljeni između tankih dijamantskih pločica i izloženi su kratkotrajnim pulsevima rendgenskog zračenja, odašiljanim iz specijalizovanih moćnih lasera. Pulsevi su tada generisali udarne talase koji su se odbijali, odnosno odjekivali i time, u kratkom periodu reda veličine nanosekundi, sabili uzorke vode u stanje superjonskog leda. Istovremeno su dobijene kristalne strukture, na licu mesta proučene instrumentalnom analizom poznatom kao rendgenska difrakciona analiza (eng. X ray difraction, skraćeno XRD). Eksperimenti su više puta ponavljani, a kroz variranje jačine pulseva i dužine izlaganja uzoraka vode, dobijeni su različiti uslovi temperature i pritiska, a samim tim i različite strukture u sabijenim uzorcima.
Putem rendgenske difrakcione analize, naučnici su bili u stanju da izuče svaku od nastalih kristalnih struktura. Svako od opisanih XRD snimanja uspelo je da uhvati strukturu koja odgovara određenim uslovima, pre nego što se ona mogla narušiti. Pri umerenijim vrednostima pritiska, manjim od 120 gigapaskala, naučnici su primetili dve različite kristalne strukture koje su postojale paralelno, što odgovara pomenutim kontradiktornostima u prethodnim eksperimentima. Prvobitan postulat bio je da vrednost temperature diktira za koju strukturu će se voda odlučiti, ali računarski proračuni ukazuju da su one energetski otprilike istovetne.
Uobičajeno je u prirodi da strukture zauzimaju onu geometriju koja je energetski povoljnija, za čije nastajanje je potrebno utrošiti manje energije. Međutim, dve pomenute strukture su po energetskim zahtevima za formiranje približno ujednačene i delovi uzorka vode će lokalno zauzeti bilo koju od pomenute dve strukture. U uzorcima izloženim pritisku preko 150 gigapaskala i temperaturama između 2500 i 3000 kelvina, jedna od dve strukture počinje dominirati, uz otprilike 25 do 32 procenta slojeva složenih u drugu strukturu. Ovakvi eksperimentalni rezultati, u potpunosti su se poklopili sa računarskim proračunima uz upotrebu mašinskog učenja koje je ovaj tim naučnika prethodno sproveo. Ovo poklapanje teorijskih proračuna i eksperimentalno dobijenih rezultata pokazuje da prethodni eksperimenti zapravo nisu davali kontradiktorne rezultate, već su uspevali da uhvate jedan ili drugi deo odgovora.
S obzirom da rezultati dobijeni difrakcionom analizom predstavljaju strukturu kristala zamrznutu u trenutku snimanja, ostaje dilema da li bi se takva mešavina dveju rasporeda, sa sedamdesetak procenata jednog naspram tridesetak procenata drugog, dugoročno održala, ili vremenom promenila. Primera radi, pri nastajanju leda, pri normalnom pritisku i na nula stepeni celzijusa, sve lokalne greške, nastale pri naglom smrzavanju, kasnije se vremenom reorganizuju i poprave. Činjenica da su i računarski proračuni u ovom istraživanju predvideli mešoviti raspored, a eksperimentalni rezultati potvrdili to predviđanje, ipak snažno ukazuje da drugačija uređenost dela uzorka nije rezultat naglog i grubog, loše sprovedenog sabijanja uzorka, nego verovatno stvarna karakteristika vode pri takvim uslovima.
Zagonetno poreklo magnetskog zračenja
Da je mešavina dva rasporeda bila privremena, onda njena detekcija ne bi imala dalekosežne posledice po razumevanje leda u unutrašnjosti Neptuna i Urana. S druge strane, u gotovo izvesnom scenariju, gde je mešavina dva rasporeda pri ekstremnim uslovima stalna, ovo otkriće značajno menja očekivane karakteristike leda u unutrašnjosti ovih planeta. U rasporedima kristalne strukture vode u stanju superjonskog leda, atomi kiseonika čine kristalnu rešetku, a katjoni vodonika, odnosno protoni, mogu se slobodno kretati kroz šupljine. Kretanje naelektrisanih čestica indukuje magnetno polje. Iako ovaj opšti opis strukture važi za oba detektovana rasporeda, to ne znači da je pokretljivost protona kroz šupljine ista u tim rasporedima. Dakle, postojanje dva različito zastupljena rasporeda, sa različitim stepenima pokretljivosti protona u njima, ostavlja posledice na krajnji oblik i jačinu ukupnog generisanog magnetnog polja.
Naučnici decenijama pokušavaju da objasne zašto Neptun i Uran poseduju tako čudna planetarna magnetna polja, a ovaj podatak o mešavini dva različito zastupljena rasporeda čestica u superjonskom ledu u unutrašnjosti ovih planeta, mogao bi predstavljati objašnjenje. Planetarno magnetno polje, u slučaju naše planete, potiče od kretanja elektrona u tečnom gvožđu koje se kovitla u spoljnom jezgru. Takođe, na njegov konačni oblik i jačinu utiču i materijali koji čine ostale slojeve Zemljine kore. U slučaju ledenih divova, Neptuna i Urana, naučnici su prvobitno pretpostavili postojanje tankog spoljnog sloja vode, amonijaka i metana, u stanju superkritičnih fluida, usled vrednosti pritiska u tom delu planeta. U stanju superkritičnih fluida takođe postoji delokalizacija i kretanje elektrona, nalik onome u atomskim kristalnim rešetkama metala, što bi onda isto moglo da rezultira generisanjem magnetnog polja. Međutim, ovakve pretpostavke nisu do kraja objasnile čudnu jačinu i orijentaciju planetarnih magnetnih polja.
Krajem osamdesetih godina prošloga veka, prvi put je postulirano postojanje superjonske vode kao zasebne faze, različite od faze superkritičnog fluida i onda je shvaćeno da bi, pri uslovima koje postoje unutar Neptuna i Urana, led zauzeo tu fazu. U poslednjih desetak godina, kako je uzeta u obzir mogućnost da superjonski led iz unutrašnjosti ovih planeta bude medijum za kretanje protona i generisanje magnetnog polja, došlo se na ideju da ova pojava možda predstavljaja glavni izvor postojanja planetarnog magnetnog polja, nasuprot pretpostavci da mu je glavni izvor kretanje elektrona u superkritičnim fluidima u spoljnjem sloju planeta. Iako postoji mogućnost da oba mehanizma doprinose ukupnim magnetnim poljima, otkriće ovog tima naučnika o postojanju mešovite strukture superjonskog leda menja oblik i jačinu magnetnog polja koje proističe iz njega. Ukoliko se ispostavi da vrednosti oblika i jačine planetarnih magnetnih polja u modelu zasnovanom na superjonskom ledu sa mešovitom kristalnom strukturom kao izvorom polja više odgovaraju realnim vrednostima pravih planetarnih magnetnih polja Neptuna i Urana, onda bi se rezultati ovog rada pokazali kao ključni.
Ivan Kremer
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
