शास्त्रज्ञांनी विचित्र सुपरआयनिक बर्फ तयार केला, जो नेपच्यून आणि युरेनसच्या अंतर्भागाचे स्पष्टीकरण देऊ शकतो

नेपच्यून आणि युरेनसच्या खोल आत, पाणी बर्फाच्या ट्रेमध्ये भरणाऱ्या पदार्थासारखे अजिबात नसते. त्या ग्रहांच्या अंतर्भागातील प्रचंड दाब आणि तापमानाखाली, ते सुपरआयनिक बर्फ नावाच्या विचित्र अवस्थेत प्रवेश करते — अशी अवस्था ज्यामध्ये ऑक्सिजन अणू कठोर घन जाळीत अडकतात तर हायड्रोजन केंद्रक द्रवासारखे त्या जाळीतून वाहतात. ती गतिमान हायड्रोजन केंद्रके प्रभार वाहून नेऊ शकतात, त्यामुळे हा पदार्थ विजेचे वहन करतो, हा गुणधर्म दोन्ही बर्फाळ दैत्यांभोवती असलेल्या विचित्र चुंबकीय क्षेत्रांशी जोडलेला असू शकतो.

संशोधकांना हे बर्याच काळापासून माहीत आहे की हे गरम, वाहक बर्फ अस्तित्वात असावे. परंतु ग्रहीय परिस्थितीत ते नेमके कोणते स्फटिक संरचना स्वीकारते हे त्यांना माहीत नव्हते. नेपच्यूनमधून नमुना बाहेर काढून पृथ्वीवर आणणारे कोणतेही यान नसल्यामुळे, फ्रान्सच्या अपारंपरिक ऊर्जा आणि अणुऊर्जा आयोग (CEA) येथील अ‍ॅलेक्सिस फॉरेस्टियर यांच्या नेतृत्वाखालील संघाने पुढील सर्वोत्तम गोष्ट केली: त्यांनी प्रयोगशाळेत त्या अत्यंत परिस्थिती पुन्हा तयार केल्या आणि बर्फ काय करतो हे पाहिले.

बर्फाळ दैत्याचा अंतर्भाग लहान प्रमाणात पुन्हा तयार करणे

संघाचा प्रायोगिक दृष्टिकोन डायमंड अ‍ॅन्व्हिल सेल नावाच्या उपकरणावर आधारित होता, जे सूक्ष्म नमुना दोन अत्यंत कठीण हिऱ्याच्या टोकांमध्ये अडकवते आणि नंतर त्या दोन्हींना एकत्र दाबते. ही रचना संशोधकांना पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर नैसर्गिकरित्या कुठेही न आढळणारे दाब निर्माण करण्यास अनुमती देते. या प्रकरणात, शास्त्रज्ञांनी त्यांच्या बर्फाच्या नमुन्यांना २३० गिगापास्कलपर्यंत दाबले — समुद्रसपाटीवरील पृथ्वीच्या वातावरणाच्या दाबाच्या दोन दशलक्ष पटींपेक्षा जास्त.

केवळ दाब हा अर्धाच भाग होता. ग्रहीय अंतर्भागाची तीव्र उष्णता अनुकरण करण्यासाठी, संशोधकांनी अडकवलेल्या बर्फावर लेसर मारले, ज्यामुळे त्याचे तापमान १,८०० केल्विनपेक्षा जास्त झाले. त्या चिरडणाऱ्या बल आणि अत्यंत उष्णतेच्या संयोगाने, नमुना सुपरआयनिक अवस्थेत गेला.

त्या सूक्ष्म सेलमध्ये काय घडत आहे हे ठरवण्यासाठी, संघाने युरोपियन सिंक्रोट्रॉन रेडिएशन फॅसिलिटी येथे क्ष-किरण विवर्तनाकडे वळले. हे तंत्र क्ष-किरण नमुन्यावरून कसे विखुरतात हे मोजून अणू स्वतःची मांडणी कशी करतात हे उघड करते, ज्यामुळे शास्त्रज्ञांना स्पर्श न करता स्फटिक जाळीचे चित्र मिळते. पीअर-रिव्ह्यूड जर्नल फिजिकल रिव्ह्यू लेटर्समध्ये प्रकाशित झालेल्या निकालांनी संशोधकांनी पूर्वी निश्चित न केलेली गोष्ट दर्शविली.

दुहेरी व्यक्तिमत्त्व असलेला पदार्थ

सुपरआयनिक बर्फ उल्लेखनीय आहे कारण तो एकाच वेळी पदार्थाच्या दोन अवस्थांसारखा वागतो. त्याचे ऑक्सिजन अणू निश्चित स्थाने व्यापतात, एक स्फटिक सांगाडा तयार करतात जो जागेवरच राहतो. दरम्यान, हायड्रोजन केंद्रके — जी सामान्यतः पाण्याच्या रेणूंमध्ये बांधलेली प्रोटॉन असतात — गतिमान होतात, ऑक्सिजन चौकटीतून तशाच प्रकारे स्थलांतर करतात जसे आयन द्रव इलेक्ट्रोलाइटमधून हलतात.

ही कामाची विभागणीच या अवस्थेला इतके असामान्य बनवते. घन ऑक्सिजन जाळी पदार्थाला निश्चित रचना आणि आकार देते, तर वाहणारा हायड्रोजन विद्युत वाहकता पुरवतो. ग्रहीय अंतर्भागात, अशा पदार्थाचा थर सामान्य पाण्याच्या बर्फापेक्षा खूप वेगळा वागू शकतो, ज्यामुळे उष्णता कशी हलते, पदार्थ कालांतराने कसा विकृत होतो आणि विद्युत प्रवाह कसा फिरतो हे बदलते.

तथापि, आतापर्यंत, शास्त्रज्ञांकडे त्या ऑक्सिजन सांगाड्याच्या भूमितीबद्दल स्पष्ट उत्तर नव्हते. वेगवेगळी स्फटिक मांडणी — घन, षटकोनी आणि इतर — वेगवेगळे भौतिक गुणधर्म सूचित करतात, त्यामुळे योग्य ती ओळखणे बर्फाळ दैत्याच्या आत काय घडते याच्या कोणत्याही प्रतिकृतीसाठी महत्त्वाचे आहे.

अत्यंत दाबात षटकोनी रचना प्रबळ होते

सिंक्रोट्रॉन मोजमापांनी चाचणी केलेल्या परिस्थितींसाठी निर्णायक उत्तर दिले. अंदाजे २०० गिगापास्कल आणि १,८०० केल्विनपेक्षा जास्त, ऑक्सिजन अणू षटकोनी जवळ-पॅक केलेल्या मांडणीत स्थिरावले, ज्याला संक्षेपात hcp म्हणतात. त्या दाब-तापमान कक्षेत, हा षटकोनी प्रकार सुपरआयनिक बर्फाचा प्रमुख टप्पा बनला, ज्याने चेहरा-केंद्रित घन, किंवा fcc, रचना विस्थापित केली जी प्रबळ राहील अशी अपेक्षा होती.

लेखकांनी या शोधाचे महत्त्व स्पष्टपणे मांडले, ते लिहितात की ते "hcp ऑक्सिजन उपजाळी स्वीकारणाऱ्या नवीन H2O बर्फ अवस्थेचे अस्पष्ट निरीक्षण" नोंदवतात. दुसऱ्या शब्दांत, हे विद्यमान चित्राचे सूक्ष्म परिष्करण नाही तर वास्तविक ग्रहांशी संबंधित परिस्थितीत पाण्याच्या ऑक्सिजन अणूंच्या वेगळ्या मांडणीची ओळख आहे.

हा शोध दोन स्वतंत्र प्रायोगिक फेऱ्यांमधून आला, आणि संघाने त्यांची मोजमापे दाब-तापमान आकृतीवर मांडली जी प्रत्येक टप्पा नेमका कुठे दिसतो हे दर्शवते. अशा प्रकारचा सीमा नकाशा इतर संशोधकांना ग्रहाच्या दिलेल्या खोलीत बर्फाची कोणती आवृत्ती स्थिर राहावी याचा अंदाज लावण्यास अनुमती देतो.

चुंबकीय क्षेत्रांसाठी स्फटिक संरचना का महत्त्वाची असू शकते

या कामाचा व्यावहारिक फायदा ग्रहविज्ञानात आहे. नेपच्यून आणि युरेनस दोन्ही बर्फाळ दैत्य म्हणून वर्गीकृत आहेत, आणि दोघांकडे पृथ्वीच्यापेक्षा कितीतरी अधिक गुंतागुंतीची चुंबकीय क्षेत्रे आहेत. त्यांची क्षेत्रे ग्रहांच्या परिभ्रमण अक्षांशी व्यवस्थित संरेखित नाहीत, आणि त्यांच्याभोवतीचे चुंबकीय वातावरण आपल्या ग्रहाचे रक्षण करणाऱ्या नीटनेटक्या द्विध्रुवाच्या तुलनेत अनागोंदी आहे.

एक प्रमुख स्पष्टीकरण सुपरआयनिक बर्फ अस्तित्वात असल्याचे मानले जाणारे खोल अंतर्भागातील थरांशी संबंधित आहे. पदार्थ विजेचे वहन करत असल्याने, त्यातील हलणारे प्रवाह चुंबकीय क्षेत्रे निर्माण करू शकतात. बर्फाची नेमकी स्फटिक संरचना प्रवाह किती सहजतेने आणि कोणत्या दिशांनी वाहतो यावर परिणाम करते, त्यामुळे ऑक्सिजन जाळी षटकोनी आहे की घन हे निश्चित करणे त्या प्रतिकृतींचे इनपुट बदलते.

२०० गिगापास्कल आणि १,८०० केल्विनपेक्षा जास्त hcp बर्फ प्रबळ आहे हे सिद्ध करून, CEA-नेतृत्वाखालील संघाने सिद्धांतकारांना या दूरच्या जगांच्या अंतर्भागाचे अनुकरण करण्यासाठी — आणि त्यांची चुंबकीय क्षेत्रे अशी का वागतात हे स्पष्ट करण्यासाठी — अधिक ठोस पाया दिला आहे.

अद्याप उरलेले प्रश्न

हा प्रयोग दाब आणि तापमान अवकाशाचा एक विशिष्ट तुकडा कैद करतो, जो ग्रहापेक्षा खूपच लहान नमुन्यांमध्ये अल्प प्रयोगशाळा कालावधीत निर्माण केला जातो. ते पूर्ण ग्रहीय अंतर्भागांशी जोडण्यासाठी प्रतिकृतीकरण आवश्यक आहे, आणि संघाची दाब-तापमान आकृती नेपच्यून किंवा युरेनसचे संपूर्ण वर्णन म्हणून नव्हे तर त्या प्रतिकृतीकरणासाठी मार्गदर्शक म्हणून समजून घेणे योग्य आहे.

तरीही, या निकालाने अस्पष्ट असलेले चित्र स्पष्ट केले आहे. शास्त्रज्ञांकडे आता बर्फाळ दैत्याच्या परिस्थितीत सुपरआयनिक पाणी कोणती स्फटिक संरचना पसंत करते याचा थेट पुरावा आहे, आणि पुढील प्रयोग आणि अनुकरणांच्या फेरीसाठी त्यांच्याकडे स्पष्ट लक्ष्य आहे.

मुख्य मुद्दे

• फ्रान्समधील CEA येथे अ‍ॅलेक्सिस फॉरेस्टियर यांच्या नेतृत्वाखालील संघाने डायमंड अ‍ॅन्व्हिल सेल वापरून प्रयोगशाळेत बर्फाळ दैत्याच्या अंतर्भागाची परिस्थिती पुन्हा तयार केली.
• बर्फ १,८०० केल्विनपेक्षा जास्त गरम केला गेला आणि २३० गिगापास्कलपर्यंत दाबला गेला, जो पृथ्वीच्या वातावरणीय दाबाच्या दोन दशलक्ष पटींपेक्षा जास्त आहे.
• युरोपियन सिंक्रोट्रॉन रेडिएशन फॅसिलिटी येथील क्ष-किरण विवर्तनाने ऑक्सिजन अणू षटकोनी जवळ-पॅक केलेली जाळी तयार करत असल्याचे दर्शविले.
• अंदाजे २०० गिगापास्कल आणि १,८०० केल्विनपेक्षा जास्त, हा षटकोनी टप्पा प्रबळ बनला, ज्याने चेहरा-केंद्रित घन टप्पा विस्थापित केला.
• फिजिकल रिव्ह्यू लेटर्समध्ये प्रकाशित हे निष्कर्ष नेपच्यून आणि युरेनसची असामान्य चुंबकीय क्षेत्रे आणि खोल अंतर्भागातील थर स्पष्ट करण्यास मदत करू शकतात.

हा लेख Phys.org च्या अहवालावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.