বিজ্ঞানীরা অদ্ভুত সুপারআয়নিক বরফ তৈরি করেছেন যা নেপচুন ও ইউরেনাসের অভ্যন্তর ব্যাখ্যা করতে পারে

নেপচুন ও ইউরেনাসের গভীরে জল ঠিক সেই পদার্থের মতো নয় যা একটি আইস কিউব ট্রেতে ভরে রাখে। সেই গ্রহগুলোর অভ্যন্তরের বিশাল চাপ ও তাপমাত্রার অধীনে এটি সুপারআয়নিক বরফ নামে পরিচিত এক অদ্ভুত অবস্থায় প্রবেশ করে — এমন একটি দশা যেখানে অক্সিজেন পরমাণু একটি অনমনীয় কঠিন জালিকায় আবদ্ধ থাকে, আর হাইড্রোজেন নিউক্লিয়াস সেই জালিকার মধ্য দিয়ে তরলের মতো প্রবাহিত হয়। যেহেতু সেই চলমান হাইড্রোজেন নিউক্লিয়াস আধান বহন করতে পারে, তাই পদার্থটি বিদ্যুৎ পরিবহন করে, এমন একটি ধর্ম যা উভয় বরফ দানবের চারপাশে জড়ানো অদ্ভুত চৌম্বকক্ষেত্রের সঙ্গে সম্পর্কিত হতে পারে।

গবেষকরা দীর্ঘদিন ধরে জানতেন যে এই উত্তপ্ত, পরিবাহী বরফের অস্তিত্ব থাকা উচিত। তারা জানতেন না যে গ্রহীয় পরিস্থিতিতে এটি ঠিক কোন স্ফটিক কাঠামো গ্রহণ করে। যেহেতু কোনো প্রোব নেপচুন থেকে নমুনা খুঁড়ে পৃথিবীতে ফিরিয়ে আনতে পারে না, তাই ফ্রান্সের বিকল্প শক্তি ও পারমাণবিক শক্তি কমিশন সিইএ-তে আলেক্সিস ফরেস্টিয়ারের নেতৃত্বে একটি দল পরবর্তী সেরা কাজটি করেছে: তারা পরীক্ষাগারের ভিতরে সেই চরম পরিস্থিতি পুনর্নির্মাণ করেছেন এবং বরফ কী করে তা পর্যবেক্ষণ করেছেন।

ক্ষুদ্র পরিসরে একটি বরফ দানবের অভ্যন্তর পুনর্নির্মাণ

দলটির পরীক্ষামূলক পদ্ধতি নির্ভর করেছিল ডায়মন্ড অ্যানভিল সেল নামে একটি যন্ত্রের উপর, যা দুটি অতি-কঠিন হীরার প্রান্তের মধ্যে একটি অণুবীক্ষণিক নমুনা আটকে রেখে তারপর সেগুলোকে একসঙ্গে চেপে ধরে। এই ব্যবস্থা গবেষকদের পৃথিবীর পৃষ্ঠে স্বাভাবিকভাবে কোথাও বিদ্যমান নেই এমন চাপ তৈরি করার সুযোগ দেয়। এই ক্ষেত্রে, বিজ্ঞানীরা তাদের বরফের নমুনাগুলোকে ২৩০ গিগাপাস্কাল পর্যন্ত ঠেলে দিয়েছেন — যা সমুদ্রপৃষ্ঠে পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলের চাপের চেয়ে দুই মিলিয়নেরও বেশি গুণ।

কেবল চাপ ছিল রেসিপির অর্ধেক। একটি গ্রহীয় অভ্যন্তরের দহনকারী তাপ অনুকরণ করতে, গবেষকরা আটকে থাকা বরফের উপর লেজার নিক্ষেপ করে তার তাপমাত্রা ১,৮০০ কেলভিনের উপরে তুলে দেন। সেই চূর্ণকারী শক্তি ও চরম তাপের সমন্বয়ে নমুনাটি সুপারআয়নিক শাসনব্যবস্থায় প্রবেশ করে।

ক্ষুদ্র কোষের ভিতরে কী ঘটছে তা নির্ধারণ করতে, দলটি ইউরোপীয় সিনক্রোট্রন রেডিয়েশন ফ্যাসিলিটিতে এক্স-রে বিচ্ছুরণ ব্যবহার করে। এই কৌশলটি পরমাণুগুলি কীভাবে নিজেদের সাজায় তা প্রকাশ করে, নমুনা থেকে এক্স-রে কীভাবে ছড়িয়ে পড়ে তা পরিমাপ করে, কার্যকরভাবে বিজ্ঞানীদের স্ফটিক জালিকার একটি চিত্র দেয় যা কখনও স্পর্শ না করেই। পিয়ার-রিভিউড জার্নাল ফিজিক্যাল রিভিউ লেটার্সে প্রকাশিত ফলাফলগুলি এমন কিছু দেখিয়েছে যা গবেষকরা আগে নিশ্চিত করতে পারেননি।

একটি বিভক্ত ব্যক্তিত্বের পদার্থ

সুপারআয়নিক বরফ উল্লেখযোগ্য কারণ এটি একসঙ্গে পদার্থের দুটি অবস্থার মতো আচরণ করে। এর অক্সিজেন পরমাণু নির্দিষ্ট অবস্থান দখল করে, একটি স্ফটিক কঙ্কাল তৈরি করে যা স্থির থাকে। এদিকে, হাইড্রোজেন নিউক্লিয়াস — যে প্রোটনগুলি সাধারণত জল অণুতে বন্ধনযুক্ত থাকত — চলনশীল হয়ে ওঠে, অক্সিজেন কাঠামোর মধ্য দিয়ে এমনভাবে স্থানান্তরিত হয় যেমন আয়নগুলি একটি তরল ইলেক্ট্রোলাইটের মধ্য দিয়ে চলে।

এই শ্রম বিভাজনই এই দশাটিকে এত অস্বাভাবিক করে তোলে। কঠিন অক্সিজেন জালিকা পদার্থটিকে একটি নির্দিষ্ট গঠন ও আকার দেয়, আর প্রবাহিত হাইড্রোজেন বিদ্যুৎ পরিবাহিতা সরবরাহ করে। একটি গ্রহীয় অভ্যন্তরে, এই ধরনের পদার্থের একটি স্তর সাধারণ জলীয় বরফের থেকে খুব ভিন্নভাবে আচরণ করতে পারে, তাপ কীভাবে চলে, সময়ের সঙ্গে পদার্থ কীভাবে বিকৃত হয় এবং বৈদ্যুতিক প্রবাহ কীভাবে সঞ্চালিত হয় তা পরিবর্তন করে।

তবে এখন পর্যন্ত, বিজ্ঞানীদের কাছে সেই অক্সিজেন কঙ্কালের জ্যামিতি সম্পর্কে স্পষ্ট উত্তর ছিল না। বিভিন্ন স্ফটিক বিন্যাস — ঘনকীয়, ষড়ভুজাকার এবং অন্যান্য — বিভিন্ন ভৌত ধর্ম বোঝায়, তাই সঠিকটি চিহ্নিত করা একটি বরফ দানবের অভ্যন্তরে কী ঘটে তার যেকোনো মডেলের জন্য গুরুত্বপূর্ণ।

চরম চাপে ষড়ভুজাকার বিন্যাস প্রাধান্য পায়

সিনক্রোট্রন পরিমাপ পরীক্ষিত পরিস্থিতির জন্য একটি সুনির্দিষ্ট উত্তর দিয়েছে। প্রায় ২০০ গিগাপাস্কাল ও ১,৮০০ কেলভিনের উপরে, অক্সিজেন পরমাণুগুলি একটি ষড়ভুজাকার ঘন-বিন্যস্ত বিন্যাসে স্থির হয়, সংক্ষেপে hcp। সেই চাপ-তাপমাত্রা সীমার মধ্যে, এই ষড়ভুজাকার রূপটি সুপারআয়নিক বরফের প্রধান দশা হয়ে ওঠে, যা মুখ-কেন্দ্রিক ঘনকীয় বা fcc কাঠামোকে সরিয়ে দেয়, যেটি প্রাধান্য পাবে বলে আশা করা হয়েছিল।

লেখকরা এই আবিষ্কারের তাৎপর্য সম্পর্কে স্পষ্ট ছিলেন, লিখেছেন যে তারা "একটি অভিনব H2O বরফ দশার দ্ব্যর্থহীন পর্যবেক্ষণ রিপোর্ট করছেন যা একটি hcp অক্সিজেন উপজালিকা গ্রহণ করে।" অন্য কথায়, এটি বিদ্যমান চিত্রের একটি সূক্ষ্ম পরিমার্জন নয় বরং প্রকৃত গ্রহের সঙ্গে প্রাসঙ্গিক পরিস্থিতিতে জলের অক্সিজেন পরমাণুর একটি স্বতন্ত্র বিন্যাসের সনাক্তকরণ।

এই আবিষ্কারটি দুটি পৃথক পরীক্ষামূলক রান থেকে এসেছে, এবং দলটি তাদের পরিমাপ একটি চাপ-তাপমাত্রা চিত্রে বসিয়েছে যা দেখায় প্রতিটি দশা ঠিক কোথায় দেখা যায়। এই ধরনের সীমানা মানচিত্রই অন্য গবেষকদের একটি গ্রহের নির্দিষ্ট গভীরতায় বরফের কোন সংস্করণ স্থিতিশীল থাকা উচিত তা পূর্বাভাস দিতে দেয়।

চৌম্বকক্ষেত্রের জন্য স্ফটিক কাঠামো কেন গুরুত্বপূর্ণ হতে পারে

এই কাজের ব্যবহারিক ফলাফল গ্রহ বিজ্ঞানে নিহিত। নেপচুন ও ইউরেনাস উভয়কেই বরফ দানব হিসেবে শ্রেণীবদ্ধ করা হয়, এবং উভয়েরই চৌম্বকক্ষেত্র রয়েছে যা পৃথিবীর চেয়ে অনেক বেশি জটিল। তাদের ক্ষেত্রগুলি গ্রহগুলির ঘূর্ণন অক্ষের সঙ্গে সুন্দরভাবে সারিবদ্ধ নয়, এবং তাদের চারপাশের চৌম্বক পরিবেশ আমাদের নিজের গ্রহকে রক্ষা করা পরিচ্ছন্ন ডাইপোলের তুলনায় বিশৃঙ্খল।

একটি প্রধান ব্যাখ্যা গভীর অভ্যন্তরীণ স্তরগুলিকে জড়িত করে যেখানে সুপারআয়নিক বরফ থাকতে পারে বলে মনে করা হয়। যেহেতু পদার্থটি বিদ্যুৎ পরিবহন করে, তাই এর মধ্যে চলমান প্রবাহ চৌম্বকক্ষেত্র তৈরি করতে পারে। বরফের সুনির্দিষ্ট স্ফটিক কাঠামো প্রভাব ফেলে যে বিদ্যুৎ কত সহজে প্রবাহিত হয় এবং কোন দিকে, তাই অক্সিজেন জালিকা ষড়ভুজাকার না ঘনকীয় তা নির্ধারণ করা সেই মডেলগুলির ইনপুট পরিবর্তন করে।

২০০ গিগাপাস্কাল ও ১,৮০০ কেলভিনের উপরে hcp বরফ প্রাধান্য পায় তা প্রতিষ্ঠা করে, সিইএ-নেতৃত্বাধীন দলটি তাত্ত্বিকদের এই দূরবর্তী জগতগুলির অভ্যন্তর অনুকরণ করার — এবং কেন তাদের চৌম্বকক্ষেত্র যেভাবে আচরণ করে তা ব্যাখ্যা করার — জন্য আরও দৃঢ় ভিত্তি দিয়েছে।

যে প্রশ্নগুলি এখনও খোলা রয়েছে

পরীক্ষাটি চাপ ও তাপমাত্রার স্থানের একটি নির্দিষ্ট অংশ ধারণ করে, যা একটি গ্রহের চেয়ে অনেক ছোট নমুনায় স্বল্প পরীক্ষাগার সময়সীমার মধ্যে তৈরি করা হয়েছে। সম্পূর্ণ গ্রহীয় অভ্যন্তরের সঙ্গে সেই ব্যবধান পূরণ করতে মডেলিং প্রয়োজন, এবং দলটির চাপ-তাপমাত্রা চিত্রকে নেপচুন বা ইউরেনাসের সম্পূর্ণ বিবরণের পরিবর্তে সেই মডেলিংয়ের জন্য একটি নির্দেশিকা হিসেবে বোঝা ভালো।

তবুও, ফলাফলটি একটি চিত্রকে স্পষ্ট করে যা অস্পষ্ট ছিল। বিজ্ঞানীদের এখন সরাসরি প্রমাণ রয়েছে যে বরফ-দানব পরিস্থিতিতে সুপারআয়নিক জল কোন স্ফটিক কাঠামো পছন্দ করে, এবং পরবর্তী পর্বের পরীক্ষা ও সিমুলেশনের জন্য তাদের একটি স্পষ্ট লক্ষ্য রয়েছে।

মূল বিষয়গুলি

• ফ্রান্সের সিইএ-তে আলেক্সিস ফরেস্টিয়ারের নেতৃত্বে একটি দল ডায়মন্ড অ্যানভিল সেল ব্যবহার করে পরীক্ষাগারে বরফ-দানবের অভ্যন্তরীণ পরিস্থিতি পুনর্নির্মাণ করেছে।
• বরফকে ১,৮০০ কেলভিনের উপরে গরম করা হয়েছিল এবং ২৩০ গিগাপাস্কাল পর্যন্ত চাপ দেওয়া হয়েছিল, যা পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলীয় চাপের দুই মিলিয়নেরও বেশি গুণ।
• ইউরোপীয় সিনক্রোট্রন রেডিয়েশন ফ্যাসিলিটিতে এক্স-রে বিচ্ছুরণ দেখিয়েছে অক্সিজেন পরমাণু একটি ষড়ভুজাকার ঘন-বিন্যস্ত জালিকা তৈরি করছে।
• প্রায় ২০০ গিগাপাস্কাল ও ১,৮০০ কেলভিনের উপরে, এই ষড়ভুজাকার দশা প্রধান হয়ে ওঠে, মুখ-কেন্দ্রিক ঘনকীয় দশাকে প্রতিস্থাপন করে।
• ফিজিক্যাল রিভিউ লেটার্সে প্রকাশিত এই ফলাফলগুলি নেপচুন ও ইউরেনাসের অস্বাভাবিক চৌম্বকক্ষেত্র এবং গভীর অভ্যন্তরীণ স্তর ব্যাখ্যা করতে সহায়তা করতে পারে।

এই নিবন্ধটি Phys.org-এর প্রতিবেদনের উপর ভিত্তি করে। মূল নিবন্ধটি পড়ুন।