Кривая плавления суперионного аммиака во внутренних условиях планеты
Учёные из Ecole Polytechnique, Sorbonne Université и других институтов в Европе недавно провели исследование, направленное на лучшее понимание того, в какой форме материя может существовать внутри малоизученных планет. В их статье, опубликованной в журнале Nature Physics, специально сообщается о кривой плавления суперионного аммиака в условиях, аналогичных тем, которые астрофизики ожидают найти внутри Урана и Нептуна.
Экспериментальная комната LULI2000 1.
Авторы и права: LULI, École Polytechnique.
Ледяные планеты, такие как Уран (U) и Нептун (N), находятся как в нашей Солнечной системе, так и в других солнечных системах по всей Вселенной. Тем не менее эти планеты, характеризующиеся плотной атмосферой и мантией, состоящей из летучих веществ (например, водородной воды, аммиака и т. д.), относятся к наименее исследованному классу планет; таким образом, до сих пор мало что известно об их происхождении, внутренней структуре и составе.
Зонды «Вояджер», две роботизированные системы, запущенные НАСА для исследования внешней части Солнечной системы, зафиксировали интересные измерения, свидетельствующие о том, что ледяные планеты имеют специфические магнитные поля. Эти измерения показали, что в отличие от других типов планет, таких как планеты земной группы и газовые гиганты, ледяные планеты не имеют диполярного магнитного поля и, следовательно, не имеют четких северного и южного магнитных полюсов.
Учёные из Ecole Polytechnique, Sorbonne Université и других институтов в Европе недавно провели исследование, направленное на лучшее понимание того, в какой форме материя может существовать внутри малоизученных планет. В их статье, опубликованной в журнале Nature Physics, специально сообщается о кривой плавления суперионного аммиака в условиях, аналогичных тем, которые астрофизики ожидают найти внутри U и N.
«Атмосферный состав U и N предполагает, что их мантия состоит из сложной смеси атомов C, H, N и O, которая также может быть выражена в смеси воды (H2O), аммиака (NH3) и метана (CH4), так называемые «планетарные льды», — рассказал Phys.org Жан Алексис Эрнандес, один из исследователей, проводивших исследование.
«Однако отсутствие термодинамических данных об этих соединениях и их смесях при экстремальных условиях (в несколько миллионов раз выше земного атмосферного давления и в несколько тысяч градусов Кельвина) U и N препятствует современным геофизическим моделям этих планет. Большинство современных моделей считают, что мантия состоит из чистой воды, и влияние других соединений до сих пор неизвестно».
Теоретические исследования предсказывают, что в экстремальных условиях, которые можно было бы ожидать внутри ледяных планет, вода и аммиак могут образовывать суперионные фазы. В этих состояниях или фазах атомы H становятся сильно диффузными и движутся способами, напоминающими движение жидкостей, в то время как остальные атомы (т. е. O и N) остаются неподвижными в кристаллической решетке.
«Недавно Милло и его соавторы экспериментально показали существование суперионной воды и определили ее кривую плавления», — сказал Эрнандес. «Наша работа представляет собой аналогичный эксперимент, но для аммиака. Наш эксперимент был проведен на лазерной установке LULI2000 во Франции с использованием метода, называемого ударным сжатием с помощью лазера».
Лазерное ударное сжатие, метод, который Эрнандес и его коллеги использовали в своих экспериментах, по существу состоит в создании ударной волны внутри образца с помощью мощного лазерного импульса. Когда эта ударная волна проходит через образец, она увеличивает его давление и температуру.
Прохождение ударной волны длится несколько наносекунд (т. е. несколько миллиардных долей секунды). В течение этого короткого промежутка времени исследователи измерили как скорость удара, так и температуру (T) образца. Затем они связали скорость удара с давлением внутри образца, используя внутренний стандарт, в частности, кварц.
«Условия PT в ударном образце зависят от его фазы (ее структуры)», — сказал Эрнандес. «Для данной фазы все возможные РТ-условия, достижимые ударной волной, лежат на одной линии, называемой кривой Гюгонио. Таким образом, когда во время распространения ударной волны происходит изменение фазы, РТ-условия сначала будут следовать кривой Гюгонио первой фазы, затем следуйте границе PT между двумя фазами и, наконец, достигните Гюгонио второй фазы».
Изображение образца до лазерного выстрела. Он предварительно сжат в ячейке с алмазными наковальнями под давлением 2,45 ГПа. Видны твердые зерна аммиака-III.
Авторы и права: Nature Physics, 2023 г. (рис. S1 дополнительного материала).
Во время эксперимента группы ударная волна, прошедшая через их образец, превратила аммиак в плотную жидкость. Исследователи также наблюдали излом в эволюции давления и температуры во время распространения ударной волны.
«Этот перегиб соответствует моменту, когда PT-условия в образце перестают следовать Гюгонио жидкой фазы и начинают следовать границе с суперионной фазой», — сказал Эрнандес.
«Эти результаты были подтверждены атомистическими симуляциями, выполненными нашими соавторами. Эти симуляции, основанные на квантовой механике, воспроизводили поведение аммиака в экспериментальных условиях. Моделирование смогло точно воспроизвести экспериментальные наблюдаемые. На основании этого соглашения мы использовали их для получить микроскопическое представление о том, как атомы N и H ведут себя в таких условиях, и определить проводимость жидкости и суперионное состояние аммиака в условиях, соответствующих Урану и Нептуну».
Создание ударных волн в условиях, подобных тем, которые можно найти внутри U и N, было сложной задачей. Во-первых, это связано с тем, что для получения сильного удара образец должен быть либо твердым, либо жидким в исходном состоянии (т. е. до того, как в него войдет ударная волна), а аммиак при температуре окружающей среды находится в газообразном состоянии.
В результате исследователям сначала пришлось либо сжижать, либо затвердевать аммиак. Еще больше усложняет ситуацию то, что даже после сжижения аммиака (путем его охлаждения или повышения давления) удар в образце значительно повышает температуру, достигая гораздо более экстремальных условий, чем внутри U и N.
«Чтобы решить эти две проблемы, нам пришлось сначала предварительно сжать аммиак до 3 ГПа (30 000 бар) в устройстве, называемом ячейкой с алмазными наковальнями», — сказал Эрнандес.
«Это устройство обычно используется для создания высокого давления статическим способом путем поддержания образца в небольшом прессе с алмазными наковальнями. В нашем эксперименте мы должны были сочетать это статическое предварительное сжатие с нашим основным ударным сжатием, управляемым лазером. В результате удара мы сжали аммиак в кристаллическую фазу, называемую аммиак-III. Затем мы подвергли удару аммиак-III, что привело к PT-условиям недр Урана и Нептуна».
Благодаря своим экспериментам Эрнандес и его коллеги в конечном итоге смогли наметить кривую плавления суперионного аммиака до 300 ГПа в условиях, которые можно было бы ожидать внутри ледяных планет. Это может иметь интересные последствия для будущих работ, а также пролить новый свет на возможные характеристики этих малоизученных планет.
«Важным результатом этого исследования является то, что плотный жидкий аммиак имеет более высокую электропроводность, чем чистая вода, а это означает, что внутри U и N области жидкости с более высокими концентрациями аммиака могут иметь значительно более высокую электропроводность, чем окружающая среда», — пояснил Эрнандес. . «Эти изменения электропроводности влияют на генерацию или распространение специфических магнитных полей этих планет».
Лучшее понимание поведения чистых систем, таких как вода и аммиак, при высоких давлениях и высоких температурах — первый важный шаг к пониманию того, что происходит внутри ледяных планет. До сих пор Эрнандес и его коллеги сосредоточились на кривой плавления суперионного аммиака в этих экстремальных условиях, а также на мантии U, N сложных смесей углерода, водорода, кислорода и азота, которые они планируют изучить в дальнейших исследованиях.
«Определение кривой плавления также является важным открытием, поскольку мы наблюдаем пересечение кривой плавления суперионной воды между 70 и 100 ГПа, что означает, что аммиак плавится при более низкой температуре, чем вода выше этого диапазона давления», — добавил Эрнандес. «Это важная информация для определения протяженности (если таковые имеются) твердых или суперионных областей внутри мантий Урана и Нептуна. В будущих экспериментах мы попытаемся постепенно исследовать более сложные системы, такие как смесь воды и аммиака."
