海王星と天王星の深部では、水は製氷皿を満たす物質とは全く異なる。これらの惑星内部の巨大な圧力と温度の下で、水は超イオン氷として知られる奇妙な状態に入る。これは酸素原子が剛直な固体格子に固定される一方、水素原子核が液体のようにその格子内を漂う相である。これらの移動可能な水素原子核は電荷を運ぶことができるため、この物質は電気を通し、その特性は両方の氷巨大惑星を取り巻く奇妙な磁場に関連している可能性がある。
研究者たちは、この高温で導電性の氷が存在すべきであることは以前から知っていた。彼らが知らなかったのは、惑星条件下で正確にどの結晶構造をとるかということだった。探査機が海王星からサンプルを掘り出して地球に持ち帰ることはできないため、フランスの代替エネルギー・原子力庁（CEA）のアレクシス・フォレスティエ氏が率いるチームは、次善の策を講じた。つまり、それらの極端な条件を実験室内で再現し、氷がどうなるかを観察したのである。
氷巨大惑星の内部を縮小して再現
チームの実験的アプローチは、ダイヤモンドアンビルセルと呼ばれる装置に依存していた。これは微小なサンプルを2つの超硬質ダイヤモンドチップの間に閉じ込め、それらを押し合わせるものである。この装置により、研究者は地球表面のどこにも自然に存在しない圧力を発生させることができる。今回、科学者たちは氷のサンプルを最大230ギガパスカルまで加圧した。これは海面での地球大気圧の200万倍以上である。
圧力だけではレシピの半分に過ぎなかった。惑星内部の灼熱の熱を模倣するため、研究者たちは閉じ込めた氷にレーザーを照射し、温度を1,800ケルビン以上に上昇させた。その圧壊力と極端な熱の組み合わせで、サンプルは超イオン領域に入った。
微小なセル内で何が起こっているかを判断するため、チームは欧州シンクロトロン放射光施設でのX線回折を利用した。この技術は、X線がサンプルからどのように散乱されるかを測定することで原子がどのように配列しているかを明らかにし、事実上、科学者に触れることなく結晶格子の画像を与える。査読付き学術誌「フィジカル・レビュー・レターズ」に掲載された結果は、研究者たちが以前には特定できなかった何かを示していた。
二重人格を持つ物質
超イオン氷が注目に値するのは、同時に2つの物質状態のように振る舞うからである。その酸素原子は固定された位置を占め、その場にとどまる結晶骨格を形成する。一方、水素原子核、つまり通常は水分子に結合している陽子は移動可能になり、イオンが液体電解質中を移動するのと同じように酸素骨格を通って移動する。
この分業がこの相を非常に珍しいものにしている。固体の酸素格子は物質に明確な構造と形状を与え、流動する水素は電気伝導性を提供する。惑星内部では、そのような物質の層は通常の水氷とは非常に異なる振る舞いをし、熱の移動、物質が時間とともにどのように変形するか、そして電流がどのように循環するかを変える可能性がある。
しかしこれまで、科学者たちはその酸素骨格の幾何学について明確な答えを欠いていた。異なる結晶配列、つまり立方晶、六方晶、その他は異なる物理的特性を意味するため、正しいものを特定することは氷巨大惑星内部で何が起こるかのあらゆるモデルにとって重要である。
極端な圧力下で六方晶充填が支配的になる
シンクロトロン測定は、試験された条件に対して決定的な答えを出した。およそ200ギガパスカルと1,800ケルビンを超えると、酸素原子は六方最密充填配列、略してhcpに落ち着いた。その圧力-温度窓では、この六方晶形態が超イオン氷の支配的な相となり、支配すると予想されていた面心立方（fcc）構造を置き換えた。
著者たちはこの発見の重要性について明確に述べ、「hcp酸素副格子を採用する新規H2O氷相の明確な観察」を報告すると書いている。言い換えれば、これは既存の描像の微妙な改良ではなく、実際の惑星に関連する条件下での水の酸素原子の明確な配列の同定である。
この発見は2つの別々の実験実行から得られ、チームは測定値を圧力-温度図に対応させ、各相が正確にどこに現れるかを示した。この種の境界マップは、他の研究者が惑星内部の特定の深さでどのバージョンの氷が安定すべきかを予測することを可能にする。
なぜ結晶構造が磁場にとって重要かもしれないのか
この研究の実用的な成果は惑星科学にある。海王星と天王星はどちらも氷巨大惑星に分類され、どちらも地球のものよりはるかに複雑な磁場を持っている。それらの磁場は惑星の自転軸と整然と整列しておらず、それらの周囲の磁気環境は、私たち自身の惑星を保護する整った双極子と比較して混沌としている。
有力な説明の1つは、超イオン氷が存在すると考えられている深部内部層に関係している。この物質は電気を通すため、その中を移動する電流が磁場を生成する可能性がある。氷の正確な結晶構造は、電流がどれだけ容易に、どの方向に流れるかに影響するため、酸素格子が六方晶か立方晶かを特定することは、それらのモデルへの入力を変える。
200ギガパスカルと1,800ケルビンを超えるとhcp氷が支配的であることを立証することで、CEA主導のチームは、これらの遠い世界の内部をシミュレーションし、なぜそれらの磁場がそのように振る舞うのかを説明するための、より強固な基盤を理論家に与えた。
未解決のまま残る疑問
この実験は、惑星よりもはるかに小さなサンプルで、短い実験室タイムスケールにわたって生成された、圧力と温度空間の特定の一片を捉えている。そのギャップを完全な惑星内部に橋渡しするにはモデリングが必要であり、チームの圧力-温度図は、海王星や天王星の完全な記述というよりも、そのモデリングのための指針として最もよく理解される。
それでも、この結果はこれまで曖昧だった描像を鮮明にする。科学者たちは今や、氷巨大惑星条件下で超イオン水がどの結晶構造を好むかについて直接的な証拠を持ち、次の実験とシミュレーションの明確なターゲットを持っている。
主なポイント
- フランスのCEAでアレクシス・フォレスティエ氏が率いるチームが、ダイヤモンドアンビルセルを用いて実験室で氷巨大惑星内部の条件を再現した。
- 氷は1,800ケルビン以上に加熱され、最大230ギガパスカルの圧力、つまり地球の大気圧の200万倍以上にさらされた。
- 欧州シンクロトロン放射光施設でのX線回折により、酸素原子が六方最密充填格子を形成していることが示された。
- およそ200ギガパスカルと1,800ケルビンを超えると、この六方晶相が支配的になり、面心立方相を置き換えた。
- 「フィジカル・レビュー・レターズ」に掲載されたこの発見は、海王星と天王星の異常な磁場と深部内部層の説明に役立つ可能性がある。
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Originally published on phys.org
