वैज्ञानिकों ने बनाई अजीब सुपरआयनिक बर्फ, जो नेपच्यून और यूरेनस के आंतरिक भाग की व्याख्या कर सकती है

नेपच्यून और यूरेनस के गहरे आंतरिक भागों में पानी उस पदार्थ जैसा बिल्कुल नहीं है जो आइस क्यूब ट्रे में भरता है। उन ग्रहों के आंतरिक भागों के विशाल दबाव और तापमान के तहत, यह सुपरआयनिक बर्फ नामक एक विचित्र अवस्था में प्रवेश करता है — ऐसा चरण जिसमें ऑक्सीजन परमाणु एक कठोर ठोस जाली में बंद हो जाते हैं जबकि हाइड्रोजन नाभिक उस जाली के माध्यम से तरल की तरह बहते हैं। चूंकि वे गतिशील हाइड्रोजन नाभिक आवेश वहन कर सकते हैं, यह पदार्थ बिजली का संचालन करता है, ऐसा गुण जो दोनों बर्फीले दिग्गजों के चारों ओर लिपटे अजीब चुंबकीय क्षेत्रों से जुड़ा हो सकता है।

शोधकर्ताओं को लंबे समय से पता था कि यह गर्म, संचालनकारी बर्फ मौजूद होनी चाहिए। जो उन्हें नहीं पता था वह यह था कि ग्रहीय परिस्थितियों में यह वास्तव में कौन-सी क्रिस्टल संरचनाएं अपनाती है। चूंकि कोई भी प्रोब नेपच्यून से नमूना खोदकर पृथ्वी पर नहीं ला सकता, फ्रांस के वैकल्पिक ऊर्जा और परमाणु ऊर्जा आयोग (CEA) में एलेक्सिस फॉरेस्टियर के नेतृत्व वाली एक टीम ने अगला सर्वोत्तम काम किया: उन्होंने प्रयोगशाला में उन चरम परिस्थितियों को फिर से बनाया और देखा कि बर्फ ने क्या किया।

लघु रूप में बर्फीले दिग्गज के आंतरिक भाग का पुनर्निर्माण

टीम का प्रायोगिक दृष्टिकोण डायमंड एनविल सेल नामक उपकरण पर निर्भर था, जो एक सूक्ष्म नमूने को दो अति-कठोर हीरे की युक्तियों के बीच फंसाता है और फिर उन्हें एक साथ दबाता है। यह सेटअप शोधकर्ताओं को ऐसे दबाव उत्पन्न करने की अनुमति देता है जो पृथ्वी की सतह पर प्राकृतिक रूप से कहीं मौजूद नहीं हैं। इस मामले में, वैज्ञानिकों ने अपने बर्फ के नमूनों को 230 गीगापास्कल तक दबाया — जो समुद्र तल पर पृथ्वी के वायुमंडल के दबाव से दो मिलियन गुना से भी अधिक है।

अकेले दबाव केवल आधा नुस्खा था। ग्रहीय आंतरिक भाग की तीव्र गर्मी की नकल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने फंसे हुए बर्फ पर लेजर दागे, जिससे इसका तापमान 1,800 केल्विन से ऊपर बढ़ गया। कुचलने वाले बल और अत्यधिक गर्मी के उस संयोजन पर, नमूना सुपरआयनिक क्षेत्र में प्रवेश कर गया।

यह निर्धारित करने के लिए कि छोटे सेल के अंदर क्या हो रहा था, टीम ने यूरोपीय सिंक्रोट्रॉन रेडिएशन सुविधा में एक्स-रे विवर्तन का सहारा लिया। यह तकनीक यह पता लगाती है कि परमाणु स्वयं को कैसे व्यवस्थित करते हैं, यह मापकर कि एक्स-रे नमूने से कैसे बिखरते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को बिना छुए क्रिस्टल जाली की तस्वीर मिल जाती है। सहकर्मी-समीक्षित पत्रिका फिजिकल रिव्यू लेटर्स में प्रकाशित परिणामों ने कुछ ऐसा दिखाया जिसे शोधकर्ताओं ने पहले पिन नहीं किया था।

दोहरे व्यक्तित्व वाला पदार्थ

सुपरआयनिक बर्फ उल्लेखनीय है क्योंकि यह एक साथ पदार्थ की दो अवस्थाओं की तरह व्यवहार करती है। इसके ऑक्सीजन परमाणु निश्चित स्थानों पर रहते हैं, जो एक क्रिस्टलीय कंकाल बनाते हैं जो अपनी जगह पर टिका रहता है। इस बीच, हाइड्रोजन नाभिक — वे प्रोटॉन जो सामान्यतः जल अणुओं में बंधे होते हैं — गतिशील हो जाते हैं, ऑक्सीजन ढांचे के माध्यम से उसी तरह प्रवास करते हैं जैसे आयन किसी तरल इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से चलते हैं।

श्रम का यह विभाजन ही इस चरण को इतना असामान्य बनाता है। ठोस ऑक्सीजन जाली पदार्थ को एक निश्चित संरचना और आकार देती है, जबकि बहती हाइड्रोजन विद्युत चालकता प्रदान करती है। किसी ग्रहीय आंतरिक भाग में, ऐसे पदार्थ की एक परत साधारण जल-बर्फ से बहुत अलग व्यवहार कर सकती है, जिससे ऊष्मा कैसे गति करती है, समय के साथ पदार्थ कैसे विकृत होता है, और विद्युत धाराएं कैसे प्रसारित होती हैं, यह बदल जाता है।

हालांकि, अब तक वैज्ञानिकों के पास उस ऑक्सीजन कंकाल की ज्यामिति के बारे में स्पष्ट उत्तर नहीं था। विभिन्न क्रिस्टल व्यवस्थाएं — घनाकार, षट्कोणीय और अन्य — भिन्न भौतिक गुणों को दर्शाती हैं, इसलिए सही एक की पहचान करना बर्फीले दिग्गज के अंदर क्या होता है, इसके किसी भी मॉडल के लिए महत्वपूर्ण है।

अत्यधिक दबाव में षट्कोणीय संकुलन का प्रभुत्व

सिंक्रोट्रॉन मापों ने परीक्षण की गई परिस्थितियों के लिए निर्णायक उत्तर दिया। लगभग 200 गीगापास्कल और 1,800 केल्विन से ऊपर, ऑक्सीजन परमाणु एक षट्कोणीय क्लोज-पैक्ड व्यवस्था में बैठ गए, जिसे संक्षेप में hcp कहा जाता है। उस दबाव-तापमान खिड़की में, यह षट्कोणीय रूप सुपरआयनिक बर्फ का प्रमुख चरण बन गया, जिसने फेस-सेंटर्ड क्यूबिक, या fcc, संरचना को विस्थापित कर दिया जिसके प्रचलित होने की अपेक्षा थी।

लेखकों ने इस खोज के महत्व के बारे में स्पष्ट रूप से लिखा कि उन्होंने "एक नए H2O बर्फ चरण का स्पष्ट अवलोकन प्रस्तुत किया है जो hcp ऑक्सीजन उपजाली अपनाता है।" दूसरे शब्दों में, यह किसी मौजूदा तस्वीर का सूक्ष्म परिष्कार नहीं है बल्कि वास्तविक ग्रहों से प्रासंगिक परिस्थितियों में पानी के ऑक्सीजन परमाणुओं की एक विशिष्ट व्यवस्था की पहचान है।

यह खोज दो अलग-अलग प्रायोगिक रनों से उभरी, और टीम ने अपने मापों को एक दबाव-तापमान आरेख पर अंकित किया जो दर्शाता है कि प्रत्येक चरण ठीक कहां प्रकट होता है। इस प्रकार का सीमा नक्शा ही अन्य शोधकर्ताओं को यह भविष्यवाणी करने की अनुमति देता है कि किसी ग्रह के अंदर किसी दी गई गहराई पर बर्फ का कौन-सा संस्करण स्थिर रहना चाहिए।

चुंबकीय क्षेत्रों के लिए क्रिस्टल संरचना क्यों मायने रख सकती है

इस काम का व्यावहारिक लाभ ग्रहीय विज्ञान में निहित है। नेपच्यून और यूरेनस दोनों को बर्फीले दिग्गज के रूप में वर्गीकृत किया गया है, और दोनों में पृथ्वी की तुलना में कहीं अधिक जटिल चुंबकीय क्षेत्र हैं। उनके क्षेत्र ग्रहों के घूर्णन अक्षों के साथ सुव्यवस्थित रूप से संरेखित नहीं हैं, और उनके आसपास का चुंबकीय वातावरण उस सुव्यवस्थित द्विध्रुव की तुलना में अराजक है जो हमारे अपने ग्रह की रक्षा करता है।

एक प्रमुख व्याख्या में गहरी आंतरिक परतें शामिल हैं जहां सुपरआयनिक बर्फ मौजूद मानी जाती है। चूंकि यह पदार्थ बिजली का संचालन करता है, इसके भीतर गतिशील धाराएं चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न कर सकती हैं। बर्फ की सटीक क्रिस्टल संरचना इस बात को प्रभावित करती है कि धारा कितनी आसानी से और किन दिशाओं में बहती है, इसलिए यह निर्धारित करना कि ऑक्सीजन जाली षट्कोणीय है या घनाकार, उन मॉडलों के इनपुट को बदल देता है।

यह स्थापित करके कि 200 गीगापास्कल और 1,800 केल्विन से ऊपर hcp बर्फ का प्रभुत्व है, CEA के नेतृत्व वाली टीम ने सिद्धांतकारों को इन दूरस्थ दुनियाओं के आंतरिक भागों के अनुकरण के लिए — और यह समझाने के लिए कि उनके चुंबकीय क्षेत्र ऐसा व्यवहार क्यों करते हैं — एक अधिक ठोस आधार दिया है।

अभी भी खुले प्रश्न

यह प्रयोग दबाव और तापमान के स्थान का एक विशिष्ट टुकड़ा कैद करता है, जो किसी ग्रह से बहुत छोटे नमूनों में छोटे प्रयोगशाला समय-मापदंडों पर उत्पन्न किया गया है। पूर्ण ग्रहीय आंतरिक भागों तक उस अंतर को पाटने के लिए मॉडलिंग की आवश्यकता होती है, और टीम के दबाव-तापमान आरेख को नेपच्यून या यूरेनस के पूर्ण विवरण के बजाय उस मॉडलिंग के लिए एक मार्गदर्शक के रूप में सबसे अच्छा समझा जाता है।

फिर भी, यह परिणाम एक ऐसी तस्वीर को स्पष्ट करता है जो धुंधली थी। वैज्ञानिकों के पास अब प्रत्यक्ष प्रमाण है कि बर्फीले दिग्गज की परिस्थितियों में सुपरआयनिक पानी कौन-सी क्रिस्टल संरचना पसंद करता है, और उनके पास प्रयोगों और अनुकरणों के अगले दौर के लिए एक स्पष्ट लक्ष्य है।

मुख्य निष्कर्ष

• फ्रांस के CEA में एलेक्सिस फॉरेस्टियर के नेतृत्व वाली एक टीम ने डायमंड एनविल सेल का उपयोग करके प्रयोगशाला में बर्फीले दिग्गज के आंतरिक भाग की परिस्थितियों को फिर से बनाया।
• बर्फ को 1,800 केल्विन से ऊपर गर्म किया गया और 230 गीगापास्कल तक के दबाव में रखा गया, जो पृथ्वी के वायुमंडलीय दबाव से दो मिलियन गुना से भी अधिक है।
• यूरोपीय सिंक्रोट्रॉन रेडिएशन सुविधा में एक्स-रे विवर्तन ने ऑक्सीजन परमाणुओं को एक षट्कोणीय क्लोज-पैक्ड जाली बनाते हुए दिखाया।
• लगभग 200 गीगापास्कल और 1,800 केल्विन से ऊपर, यह षट्कोणीय चरण प्रमुख हो गया, जिसने फेस-सेंटर्ड क्यूबिक चरण को प्रतिस्थापित कर दिया।
• फिजिकल रिव्यू लेटर्स में प्रकाशित निष्कर्ष नेपच्यून और यूरेनस के असामान्य चुंबकीय क्षेत्रों और गहरी आंतरिक परतों को समझाने में मदद कर सकते हैं।

यह लेख Phys.org की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।