علماء يصنعون جليداً فائق الأيونية غريباً قد يفسّر باطن نبتون وأورانوس

في أعماق نبتون وأورانوس، لا يشبه الماء إطلاقاً المادة التي تملأ قالب مكعبات الثلج. فتحت الضغوط ودرجات الحرارة الهائلة في باطن هذين الكوكبين، يدخل الماء في حالة غريبة تُعرف بالجليد فائق الأيونية — وهي طور تتحصّن فيه ذرات الأكسجين داخل شبكة صلبة جامدة بينما تنجرف نوى الهيدروجين عبر تلك الشبكة كالسائل. ولأن نوى الهيدروجين المتحركة هذه قادرة على حمل الشحنة، فإن المادة توصل الكهرباء، وهي خاصية قد تكون مرتبطة بالمجالات المغناطيسية الغريبة المحيطة بكلا العملاقين الجليديين.

لطالما عرف الباحثون أن هذا الجليد الساخن الموصل ينبغي أن يوجد. لكن ما لم يعرفوه هو البنية البلورية الدقيقة التي يتخذها تحت ظروف الكواكب. ولأن أي مسبار لا يستطيع انتزاع عيّنة من نبتون وإعادتها إلى الأرض، فعل فريق بقيادة ألكسيس فوريستييه في المفوضية الفرنسية للطاقات البديلة والطاقة الذرية (CEA) أفضل بديل ممكن: أعادوا بناء تلك الظروف القصوى داخل مختبر، وراقبوا ما فعله الجليد.

إعادة إنتاج باطن عملاق جليدي بمقياس مصغّر

اعتمد نهج الفريق التجريبي على جهاز يُسمى خلية سندان الألماس، وهي تحتجز عيّنة مجهرية بين طرفين من الألماس فائق الصلابة ثم تضغطهما معاً. يتيح هذا الإعداد للباحثين توليد ضغوط لا توجد بشكل طبيعي في أي مكان على سطح الأرض. وفي هذه الحالة، دفع العلماء عيّنات الجليد لديهم إلى ما يصل إلى 230 غيغاباسكال — أي أكثر من مليوني ضعف ضغط الغلاف الجوي للأرض عند مستوى سطح البحر.

لكن الضغط وحده كان نصف الوصفة فقط. ولمحاكاة الحرارة الحارقة في باطن كوكب، أطلق الباحثون أشعة ليزر على الجليد المحتجز، فرفعوا درجة حرارته فوق 1,800 كلفن. وعند هذا المزيج من القوة الساحقة والحرارة القصوى، دخلت العيّنة في النظام فائق الأيونية.

ولتحديد ما كان يحدث داخل الخلية الصغيرة، لجأ الفريق إلى حيود الأشعة السينية في منشأة الإشعاع السنكروتروني الأوروبية. تكشف هذه التقنية كيفية ترتيب الذرات لنفسها عبر قياس كيفية تشتّت الأشعة السينية عن العيّنة، ما يمنح العلماء فعلياً صورة للشبكة البلورية دون لمسها إطلاقاً. وأظهرت النتائج، المنشورة في مجلة Physical Review Letters المحكّمة، شيئاً لم يكن الباحثون قد حددوه سابقاً بدقة.

مادة بشخصية منقسمة

الجليد فائق الأيونية مذهل لأنه يتصرف كحالتين من المادة في آن واحد. فذرات الأكسجين فيه تشغل مواقع ثابتة، مشكّلة هيكلاً بلورياً يبقى في مكانه. وفي الوقت نفسه، تصبح نوى الهيدروجين — البروتونات التي كانت عادةً مرتبطة داخل جزيئات الماء — متحركة، وتهاجر عبر إطار الأكسجين تماماً كما تتحرك الأيونات عبر إلكتروليت سائل.

هذا التقسيم في الأدوار هو ما يجعل هذا الطور غير عادي إلى هذا الحد. فشبكة الأكسجين الصلبة تمنح المادة بنية وشكلاً محددين، بينما يوفّر الهيدروجين المتدفق الموصلية الكهربائية. وفي باطن كوكب، يمكن لطبقة من هذه المادة أن تتصرف بشكل مختلف جداً عن جليد الماء العادي، فتغيّر كيفية انتقال الحرارة، وكيفية تشوّه المادة بمرور الوقت، وكيفية دوران التيارات الكهربائية.

غير أن العلماء كانوا حتى الآن يفتقرون إلى إجابة واضحة عن هندسة هيكل الأكسجين هذا. فالترتيبات البلورية المختلفة — المكعبة والسداسية وغيرها — تعني خصائص فيزيائية مختلفة، لذا فإن تحديد الترتيب الصحيح مهم لأي نموذج لما يحدث داخل عملاق جليدي.

التراص السداسي يسيطر عند الضغط الأقصى

قدّمت قياسات السنكروترون إجابة قاطعة للظروف التي جرى اختبارها. ففوق نحو 200 غيغاباسكال و1,800 كلفن، استقرّت ذرات الأكسجين في ترتيب سداسي متراصّ، ويُختصر بـ hcp. وفي نافذة الضغط ودرجة الحرارة تلك، أصبح هذا الشكل السداسي الطور السائد للجليد فائق الأيونية، مُزيحاً البنية المكعبة المتمركزة على الأوجه، أو fcc، التي كان يُتوقع أن تسود.

وكان المؤلفون صريحين بشأن أهمية هذا الاكتشاف، إذ كتبوا أنهم يقدّمون "الرصد القاطع لطور جديد من جليد H2O يتبنّى شبكة أكسجين فرعية سداسية متراصّة". وبعبارة أخرى، هذا ليس تحسيناً دقيقاً لصورة قائمة، بل تحديد لترتيب متميّز لذرات أكسجين الماء في ظروف ذات صلة بكواكب حقيقية.

وقد انبثق الاكتشاف من تجربتين منفصلتين، ورسم الفريق قياساتهما على مخطط للضغط ودرجة الحرارة يوضح بدقة أين يظهر كل طور. وهذا النوع من خرائط الحدود هو ما يتيح لباحثين آخرين التنبؤ بأي نسخة من الجليد ينبغي أن تكون مستقرة عند عمق معيّن داخل كوكب.

لماذا قد تهمّ البنية البلورية المجالات المغناطيسية

تكمن الفائدة العملية لهذا العمل في علوم الكواكب. فنبتون وأورانوس يُصنّفان كعملاقين جليديين، وكلاهما يمتلك مجالات مغناطيسية أكثر تعقيداً بكثير من مجال الأرض. فمجالاتهما ليست مصطفّة بدقة مع محاور دوران الكوكبين، والبيئة المغناطيسية حولهما فوضوية مقارنةً بالثنائي القطب المرتّب الذي يحمي كوكبنا.

يتضمن أحد التفسيرات الرائدة الطبقات العميقة في الباطن حيث يُعتقد أن الجليد فائق الأيونية موجود. ولأن المادة توصل الكهرباء، فإن التيارات المتحركة داخلها قد تولّد مجالات مغناطيسية. وتؤثر البنية البلورية الدقيقة للجليد في مدى سهولة تدفق التيار وفي أي اتجاهات، لذا فإن تحديد ما إذا كانت شبكة الأكسجين سداسية أم مكعبة يغيّر المدخلات إلى تلك النماذج.

وبإثبات أن جليد hcp يسود فوق 200 غيغاباسكال و1,800 كلفن، يكون الفريق بقيادة CEA قد منح المنظّرين أساساً أكثر رسوخاً لمحاكاة باطن هذه العوالم البعيدة — ولتفسير سبب تصرف مجالاتها المغناطيسية بالطريقة التي تتصرّف بها.

أسئلة لا تزال مفتوحة

تلتقط التجربة شريحة محددة من فضاء الضغط ودرجة الحرارة، مولّدة على نطاقات زمنية مخبرية قصيرة وفي عيّنات أصغر بكثير من كوكب. وسدّ هذه الفجوة للوصول إلى باطن كوكبي كامل يتطلب نمذجة، ومن الأفضل فهم مخطط الضغط ودرجة الحرارة الذي وضعه الفريق كدليل لتلك النمذجة لا كوصف كامل لنبتون أو أورانوس.

ومع ذلك، فإن النتيجة تصقل صورة كانت ضبابية. فلدى العلماء الآن دليل مباشر على البنية البلورية التي يفضّلها الماء فائق الأيونية تحت ظروف العملاق الجليدي، ولديهم هدف واضح للجولة التالية من التجارب والمحاكاات.

النقاط الرئيسية

• أعاد فريق بقيادة ألكسيس فوريستييه في المفوضية الفرنسية للطاقات البديلة والطاقة الذرية (CEA) إنتاج ظروف باطن عملاق جليدي في المختبر باستخدام خلية سندان الألماس.
• سُخّن الجليد فوق 1,800 كلفن وتعرّض لضغوط تصل إلى 230 غيغاباسكال، أي أكثر من مليوني ضعف الضغط الجوي للأرض.
• أظهر حيود الأشعة السينية في منشأة الإشعاع السنكروتروني الأوروبية أن ذرات الأكسجين تشكّل شبكة سداسية متراصّة.
• فوق نحو 200 غيغاباسكال و1,800 كلفن، أصبح هذا الطور السداسي سائداً، بدلاً من الطور المكعب المتمركز على الأوجه.
• قد تساعد النتائج، المنشورة في Physical Review Letters، في تفسير المجالات المغناطيسية غير العادية والطبقات العميقة في باطن نبتون وأورانوس.

يعتمد هذا المقال على تقرير نشرته Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.