آب در سیاره‌های فراخورشیدی چگونه تغییر می‌کند؟ کشف فاز تازه‌ای از یخ در فشارهای بسیار بالا

دانشمندان با فشرده‌کردن آب میان دو قطعه الماس، به رفتاری غیرمنتظره از این ماده دست یافته‌اند که پیش‌تر فقط در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پیش‌بینی شده بود. آزمایش‌ها نشان می‌دهند یخ در فشارهای بالاتر از ۲۲۲ گیگاپاسکال، ساختار بلوری متقارن خود را از دست می‌دهد و به آرایشی نامتقارن‌تر تبدیل می‌شود؛ پدیده‌ای که می‌تواند در شناخت لایه‌های داخلی سیاره‌هایی مانند نپتون و اورانوس نقش مهمی داشته باشد.

آب در فشار ۲.۲ میلیون برابر فشار جو زمین تغییر ساختار می‌دهد

پژوهشگران برای بررسی رفتار آب در شرایطی شبیه به اعماق سیاره‌های غول‌پیکر یخی، قطره بسیار کوچکی از آب را میان دو نوک الماس قرار دادند و فشار واردشده را به بیش از ۲۲۲ گیگاپاسکال رساندند. این مقدار تقریباً معادل ۲.۲ میلیون برابر فشار جو زمین است.

در چنین شرایطی، آب دیگر ساختار معمولی یخ را ندارد و وارد فازهای جامد متفاوتی می‌شود. یکی از این حالت‌ها با نام یخ X شناخته می‌شود؛ ساختاری که در آن اتم‌های هیدروژن میان اتم‌های اکسیژن قرار می‌گیرند و شبکه‌ای بلوری با تقارن بالا تشکیل می‌دهند.

اما نتیجه آزمایش جدید با انتظار اولیه دانشمندان تفاوت داشت. برخلاف تصور رایج که فشرده‌شدن مواد را با آرایش منظم‌تر و متقارن‌تر اتم‌ها همراه می‌داند، ساختار یخ در فشارهای بسیار بالا نامتقارن‌تر شد.

دانشمندان چگونه تغییر ساختار آب را مشاهده کردند؟

برای بررسی آرایش اتم‌ها، پژوهشگران از روش پراش پرتو ایکس استفاده کردند. در این روش، پرتوهای ایکس به نمونه تابانده می‌شوند و الگوی پراکندگی آن‌ها اطلاعاتی درباره موقعیت اتم‌ها و ساختار بلوری ماده در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد.

نتایج نشان داد که با عبور فشار از محدوده ۲۲۲ گیگاپاسکال، ساختار مکعبی یخ X دچار تغییر می‌شود. شبکه بلوری به‌جای حفظ تقارن قبلی، حالتی کشیده‌تر و نامتقارن‌تر پیدا می‌کند.

این تغییر پیش‌تر در محاسبات نظری و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پیش‌بینی شده بود، اما آزمایش جدید نخستین شواهد تجربی مستقیم از وقوع آن را در شرایط آزمایشگاهی ارائه می‌دهد.

پژوهشگران دو ساختار بلوری احتمالی را برای فاز جدید مطرح کرده‌اند:

• Pbcm: ساختاری که در آن شبکه اتم‌های اکسیژن حالت خمیده‌تر و نامتقارن‌تری پیدا می‌کند.

• P42/nnm: ساختاری که از نظر هندسی به یک مکعب کشیده‌شده در امتداد یک محور شباهت دارد.

داده‌های آزمایشگاهی هنوز برای تعیین قطعی یکی از این دو ساختار کافی نیستند و بررسی‌های بیشتری برای شناسایی دقیق آرایش اتم‌ها لازم است.

چرا این کشف برای شناخت نپتون و اورانوس اهمیت دارد؟

نپتون و اورانوس در گروه سیاره‌های غول‌پیکر یخی منظومه شمسی قرار می‌گیرند. دانشمندان تصور می‌کنند بخش‌های داخلی این سیاره‌ها حاوی مقادیر زیادی آب، آمونیاک و متان هستند و مواد تشکیل‌دهنده آن‌ها تحت فشار و دمای بسیار بالا رفتار متفاوتی از شرایط سطح زمین دارند.

به همین دلیل، شناخت فازهای مختلف آب می‌تواند به دانشمندان کمک کند مدل دقیق‌تری از ساختار داخلی این سیاره‌ها بسازند.

تغییر ساختار بلوری آب فقط یک مسئله هندسی نیست؛ زیرا نحوه قرارگیری اتم‌ها بر ویژگی‌های فیزیکی ماده نیز تأثیر می‌گذارد. از جمله مهم‌ترین این ویژگی‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• انتقال گرما: ساختار اتمی متفاوت می‌تواند نحوه انتقال انرژی گرمایی در لایه‌های داخلی سیاره را تغییر دهد.

• میدان مغناطیسی: ویژگی‌های الکتریکی و ساختاری مواد درون سیاره بر مدل‌های مربوط به شکل‌گیری میدان مغناطیسی تأثیر می‌گذارند.

• چگالی سیاره: تغییر آرایش اتم‌ها می‌تواند چگالی مواد را تغییر دهد و بر محاسبات مربوط به جرم و ساختار داخلی سیاره اثر بگذارد.

• واکنش‌های شیمیایی: آب با ساختار متفاوت ممکن است با سنگ‌ها و فلزات اطراف خود واکنش‌هایی انجام دهد که در شرایط معمول زمین مشاهده نمی‌شوند.

این اطلاعات برای تفسیر داده‌های مأموریت‌های فضایی و مشاهدات تلسکوپی نیز اهمیت دارد؛ زیرا دانشمندان نمی‌توانند مستقیماً به اعماق نپتون و اورانوس دسترسی پیدا کنند.

آیا آب در اعماق سیاره‌های یخی همین ساختار را دارد؟

با وجود اهمیت این آزمایش، نمی‌توان نتیجه گرفت که تمام آب موجود در اعماق نپتون و اورانوس دقیقاً همین ساختار را دارد. یک محدودیت مهم پژوهش این است که دانشمندان در آزمایشگاه توانستند فشارهای مشابه شرایط داخلی این سیاره‌ها را ایجاد کنند، اما دمای نمونه با دمای واقعی اعماق آن‌ها یکسان نبود.

در بخش‌های عمیق سیاره‌های غول‌پیکر یخی، دما به چند هزار درجه می‌رسد. در چنین شرایطی، آب می‌تواند وارد حالت‌های پیچیده‌تری مانند آب ابر‌یونی (Superionic Water) شود؛ حالتی که در آن اتم‌های اکسیژن یک شبکه جامد تشکیل می‌دهند، اما یون‌های هیدروژن درون این ساختار حرکت می‌کنند.

بنابراین، فاز جدید مشاهده‌شده در آزمایش را نباید با آب ابر‌یونی یکسان دانست. این دو حالت به شرایط فیزیکی متفاوتی مربوط هستند و بررسی ارتباط میان آن‌ها به پژوهش‌های بیشتری نیاز دارد.

کشف جدید چه چیزی درباره ماهیت آب نشان می‌دهد؟

آب برخلاف ظاهر ساده‌اش، در شرایط مختلف می‌تواند ساختارهای بسیار متنوعی پیدا کند. تاکنون بیش از ۲۰ نوع ساختار یخی در آزمایشگاه شناسایی یا در محاسبات نظری پیش‌بینی شده است و یخ معمولی موجود در فریزر تنها یکی از این حالت‌ها محسوب می‌شود.

پژوهش جدید نشان می‌دهد حتی یکی از ساختارهای شناخته‌شده آب، یعنی یخ X، در فشارهای بالاتر از محدوده پایداری قبلی خود می‌تواند به فازی با تقارن کمتر تبدیل شود.

این نتیجه به دانشمندان کمک می‌کند مرز پایداری یخ X را بهتر بشناسند و مدل‌های دقیق‌تری برای بررسی رفتار آب در سیاره‌های فراخورشیدی و غول‌های یخی منظومه شمسی توسعه دهند.

البته هنوز مشخص نیست این ساختار جدید در چه محدوده‌ای از دما و فشار در طبیعت پایدار می‌ماند یا چه تأثیری بر ترکیبات شیمیایی اطراف خود دارد. پاسخ به این پرسش‌ها می‌تواند درک ما از مواد تشکیل‌دهنده سیاره‌های دوردست را تغییر دهد.

منابع: