کشف حالت جدیدی از ماده در اعماق اورانوس و نپتون

حالت ناشناخته ماده در اعماق سیارات یخی

بر اساس پژوهشی جدید که توسط کونگ لیو و رونالد کوهن از موسسه کارنگی انجام شده و در نشریه Nature Communications به چاپ رسیده است، عناصر آشنا در اعماق سیارات یخی می‌توانند رفتارهایی کاملاً متفاوت از آنچه در شرایط معمول انتظار می‌رود، از خود نشان دهند. این تحقیق از وجود نوعی حالت ناشناخته از ماده در این سیارات خبر می‌دهد.

پژوهشگران در این مطالعه نشان داده‌اند که ترکیب کربن-هیدروژن (carbon hydride) می‌تواند تحت فشارها و دماهای بسیار بالا به یک حالت ابر یونی شبه‌یک‌بعدی تبدیل شود؛ حالتی که پیش‌تر نه مشاهده شده بود و نه پیش‌بینی می‌شد.

با شناسایی بیش از ۶ هزار سیاره فراخورشیدی در سال‌های اخیر، تلاش‌های علمی برای درک بهتر ساختار و رفتار سیارات افزایش یافته است. در همین راستا، همکاری میان حوزه‌هایی مانند نجوم، علوم سیاره‌ای و علوم زمین گسترش یافته تا با ترکیب داده‌های رصدی، آزمایشگاهی و مدل‌های نظری، فرآیندهای شکل‌گیری و تحول سیارات، از جمله چگونگی ایجاد میدان‌های مغناطیسی، بهتر درک شود.

این توجه فزاینده همچنین باعث شده است که دانشمندان تمرکز بیشتری بر بررسی لایه‌های عمیق و پنهان سیارات و قمرهای منظومه شمسی داشته باشند؛ نواحی‌ای که مطالعه آن‌ها می‌تواند به درک بهتر رفتار سیارات و حتی ارزیابی امکان زیست‌پذیری در جهان‌های دیگر کمک کند.

راز یخ‌های داغ در اعماق اورانوس و نپتون

داده‌های موجود درباره اورانوس و نپتون نشان می‌دهد که در ساختار درونی آن‌ها لایه‌هایی از مواد موسوم به یخ‌های داغ وجود دارد. این لایه‌ها میان جو بیرونی (غنی از هیدروژن و هلیوم) و هسته سنگی قرار گرفته‌اند و ترکیبی از آب (H₂O)، متان (CH₄) و آمونیاک (NH₄) هستند. با این حال، در شرایط شدید فشار و دما، این مواد می‌توانند به شکل‌هایی کاملاً متفاوت از حالت‌های شناخته‌شده درآیند.

در چنین شرایطی، ماده رفتارهای غیرمنتظره‌ای از خود نشان می‌دهد؛ به همین دلیل دانشمندان برای بررسی این محیط‌ها از ترکیب آزمایش‌ها و مدل‌سازی‌های نظری استفاده می‌کنند.

در این پژوهش، لیو و کوهن با بهره‌گیری از محاسبات پیشرفته و الگوریتم‌های یادگیری ماشین، شبیه‌سازی‌هایی در مقیاس کوانتومی بر روی ترکیب کربن-هیدروژن انجام دادند. آن‌ها شرایطی معادل فشار‌هایی بین ۵ تا ۳۰ میلیون برابر فشار جو زمین (۵۰۰ تا ۳۰۰۰ گیگاپاسکال) و دما‌هایی بین ۴۰۰۰ تا ۶۰۰۰ کلوین را بررسی کردند.

نتایج این شبیه‌سازی‌ها نشان داد که این ماده می‌تواند ساختاری شبکه‌ای با آرایش شش‌ضلعی تشکیل دهد که در آن، اتم‌های هیدروژن در مسیر‌هایی مارپیچی حرکت می‌کنند. این حرکت خاص منجر به شکل‌گیری یک حالت ابر یونی شبه‌یک‌بعدی می‌شود.

مواد ابر یونی حالتی بین جامد و مایع دارند؛ به‌طوری‌که بخشی از اتم‌ها در یک ساختار بلوری ثابت باقی می‌مانند، در حالی که بخش دیگر آزادانه درون آن حرکت می‌کنند. در این حالت جدید، حرکت اتم‌های هیدروژن به‌صورت کامل سه‌بعدی نیست بلکه در مسیر‌های مشخص و مارپیچ درون ساختار منظم کربنی هدایت می‌شود.

پیامدهای مهم برای علم سیارات و آینده فناوری

این نوع حرکت جهت‌دار اتم‌های هیدروژن می‌تواند بر نحوه انتقال گرما و جریان الکتریسیته درون سیارات تأثیر بگذارد. در نتیجه، این ویژگی‌ها ممکن است در توزیع انرژی، رسانایی الکتریکی و حتی نحوه شکل‌گیری و تفسیر میدان‌های مغناطیسی در سیارات یخی نقش مهمی ایفا کنند.

از سوی دیگر، این پژوهش نشان می‌دهد که حتی سیستم‌های شیمیایی ساده نیز می‌توانند در شرایط شدید ساختارهایی پیچیده و غیرمنتظره ایجاد کنند؛ موضوعی که دانش ما درباره رفتار ماده در فشار و دمای بالا را گسترش می‌دهد.

پژوهشگران تأکید می‌کنند که کربن و هیدروژن از فراوان‌ترین عناصر در مواد سیاره‌ای هستند، اما رفتار ترکیبی آن‌ها در شرایط حاکم بر سیارات غول‌پیکر هنوز به‌طور کامل شناخته نشده است.

این کشف، علاوه بر اهمیت در علوم سیاره‌ای، می‌تواند در حوزه علم مواد و مهندسی نیز کاربرد داشته باشد؛ چرا که مواد با ویژگی‌های جهت‌دار می‌توانند زمینه‌ساز توسعه فناوری‌های نوین در آینده باشند.