Ilmuwan menemukan ‘es superionik’ hitam aneh yang mungkin ada di planet lain

Dengan Sumber Foton Lanjutan, para ilmuwan telah menciptakan kembali struktur es yang terbentuk di pusat planet seperti Neptunus dan Uranus.

Semua orang tahu es, cairan, dan uap – tetapi tergantung pada kondisinya, air sebenarnya dapat membentuk lebih dari selusin struktur yang berbeda. Para ilmuwan kini telah menambahkan fase baru ke dalam daftar: es superionik.

Jenis es ini terbentuk secara ekstrim suhu tinggi dan tekanan, seperti jauh di dalam planet seperti Neptunus dan Uranus. Sebelumnya, es superionik hanya terlihat sesaat ketika para ilmuwan mengirimkan gelombang kejut melalui setetes air, tetapi dalam sebuah studi baru yang diterbitkan di. telah diterbitkan Fisika alamPara ilmuwan telah menemukan cara untuk membuat, memelihara, dan mempelajari es dengan andal.

“Itu mengejutkan – semua orang mengira tahap ini tidak akan datang sampai tekanannya jauh lebih tinggi daripada di mana kita pertama kali menemukannya,” kata rekan penulis studi Vitali Prakapenka, profesor riset di University of Chicago dan Beamline -Scientist di Advanced Photon . Source (APS), fasilitas pengguna dari Kantor Ilmu Pengetahuan (DOE) Departemen Energi AS di Laboratorium Nasional Argonne DOE. “Tetapi kami dapat memetakan sifat-sifat es baru ini, yang mewakili fase materi baru, dengan sangat tepat berkat beberapa alat canggih.”

Bahkan jika manusia telah melihat kembali ke masa lalu ke awal alam semesta – dan ke partikel terkecil yang membentuk semua materi – kita masih tidak mengerti persis apa yang mengintai jauh di dalam bumi, apalagi di planet saudara kita tata surya. Para ilmuwan hanya menggali sekitar tujuh setengah mil di bawah permukaan sebelum peralatan mulai meleleh karena panas dan tekanan yang ekstrem. Di bawah kondisi ini, batu berperilaku lebih seperti plastik, dan struktur bahkan molekul dasar seperti air mulai bergeser.

“Berkat beberapa alat canggih, kami dapat memetakan sifat-sifat es baru ini, yang mewakili fase materi baru, dengan sangat tepat,” kata Vitali Prakapenka dari Universitas Chicago.

Karena kita tidak dapat secara fisik mencapai tempat-tempat ini, para ilmuwan harus beralih ke laboratorium untuk mensimulasikan kondisi panas dan tekanan yang ekstrem.

Prakapenka dan rekan-rekannya menggunakan APS, akselerator masif yang mendorong elektron ke kecepatan yang sangat tinggi, mendekati kecepatan cahaya, untuk menghasilkan sinar-X yang cemerlang. Mereka menekan sampel mereka di antara dua berlian – zat terkeras di bumi – untuk mensimulasikan tekanan kuat, dan kemudian menembakkan laser melalui berlian untuk memanaskan sampel. Akhirnya, mereka mengirim berkas sinar-X melalui sampel dan menyusun susunan atom di dalamnya berdasarkan hamburan sinar-X pada sampel.

Ketika mereka pertama kali melakukan eksperimen, Prakapenka melihat pembacaan struktur sangat berbeda dari apa yang dia harapkan. Dia pikir ada yang tidak beres dan ada reaksi kimia yang tidak diinginkan yang sering terjadi dengan air dalam eksperimen semacam itu. “Tetapi ketika saya mematikan laser dan sampel kembali ke suhu kamar, es kembali ke keadaan semula,” katanya. “Artinya, itu adalah perubahan struktural yang dapat dibalik, bukan reaksi kimia.”

Melihat struktur es, tim menyadari bahwa fase baru ada di depan. Mereka mampu secara akurat memetakan struktur dan propertinya.

“Bayangkan sebuah kubus dengan kisi-kisi atom oksigen di sudut-sudut yang dihubungkan oleh hidrogen, “kata Prakapenka.” Ketika berubah menjadi fase superionik baru ini, kisi mengembang, memungkinkan atom hidrogen bergerak sementara atom oksigen tetap stabil di posisinya. Ini seperti jaringan oksigen padat yang berada di lautan atom hidrogen yang mengambang.”

Ini memiliki konsekuensi untuk perilaku es: menjadi kurang padat, tetapi secara signifikan lebih gelap karena berinteraksi secara berbeda dengan cahaya. Tetapi spektrum penuh dari sifat kimia dan fisik es superionik belum dieksplorasi. “Ini adalah keadaan materi baru, jadi pada dasarnya bertindak sebagai materi baru, dan mungkin berbeda dari apa yang kita pikirkan,” kata Prakapenka.

Hasilnya juga mengejutkan karena, meskipun para ilmuwan teoretis telah memperkirakan fase ini, sebagian besar model mengira itu tidak akan muncul sampai air dikompresi ke tekanan yang lebih besar dari 50 gigapascals (kondisi yang kira-kira sama seperti pada bahan bakar roket ketika ia meledak untuk lepas landas). ). ). Tapi percobaan ini hanya pada 20 gigapascals. “Terkadang Anda mendapatkan kejutan seperti itu,” kata Prakapenka.

Tetapi memetakan kondisi yang tepat di mana fase es yang berbeda terjadi adalah penting, antara lain, untuk memahami bagaimana planet terbentuk dan bahkan di mana mencari kehidupan di planet lain. Para ilmuwan percaya bahwa kondisi serupa ada di dalam Neptunus dan Uranus dan planet berbatu dingin lainnya seperti di tempat lain di alam semesta.

Sifat-sifat es ini berperan dalam medan magnet planet, yang berdampak besar pada kemampuannya untuk menopang kehidupan: Medan magnet bumi yang kuat melindungi kita dari radiasi berbahaya dan sinar kosmik, sedangkan permukaan planet tandus Mars dan Merkurius adalah terkena. Ketahui kondisi yang memengaruhi Anda Medan gaya Formasi dapat memandu para ilmuwan dalam menemukan bintang dan planet di tata surya lain yang mungkin menampung kehidupan.

Prakapenka mengatakan masih banyak aspek lain yang harus dieksplorasi, seperti konduktivitas dan viskositas, stabilitas kimia, yang berubah ketika air bercampur dengan garam atau mineral lainnya, seperti yang sering terjadi jauh di bawah permukaan bumi. “Ini harus merangsang lebih banyak studi,” katanya.