Две большие газовые планеты Уран и Нептун обладают странными магнитными полями. Каждая из них сильно наклонена относительно осей вращения планеты и значительно смещена от физического центра. Причина этого была давней загадкой в планетологии. Различные теории предполагают, что уникальная внутренняя структура этих планет может быть причиной этого странного явления. Согласно этим теориям, искаженное магнитное поле вызвано циркуляцией в конвективном слое, который состоит из электропроводящей жидкости. Этот конвективный слой, в свою очередь, окружает стабильно многослойный неконвективный слой, в котором нет циркуляции материала из-за его высокой вязкости и, следовательно, нет вклада в магнитное поле.
Компьютерное моделирование показывает, что вода и аммиак, основные компоненты Урана и Нептуна, при очень высоких давлениях и температурах переходят в необычное состояние: в "суперионное состояние", которое обладает свойствами как твердого тела, так и жидкости. В этом состоянии ионы водорода становятся подвижными в структуре решетки, образованной кислородом или азотом.
Недавние экспериментальные исследования подтверждают, что суперионная вода может существовать на глубине, где, согласно теории, находится стабильно слоистая область. Следовательно, возможно, что стратифицированный слой образован суперионными компонентами. Однако неясно, действительно ли компоненты способны подавлять конвекцию, поскольку физические свойства суперионного состояния неизвестны.
Томоаки Кимура и Мотохико Мураками из Департамента наук о Земле ETH Zurich теперь на один шаг ближе к поиску ответа. Два исследователя провели в своей лаборатории эксперименты с аммиаком при высоком давлении и высокой температуре. Целью экспериментов было определение упругости суперионного материала. Эластичность — одно из важнейших физических свойств, влияющих на тепловую конвекцию в мантии планеты. Примечательно, что эластичность материалов в твердом и жидком состояниях совершенно разная.
Для своих исследований исследователи использовали аппарат высокого давления, названный ячейкой с алмазной наковальней. В этом устройстве аммиак помещается в небольшой контейнер диаметром около 100 микрометров, который затем зажимается между двумя алмазными наконечниками, сжимающими образец. Это позволяет подвергать материалы чрезвычайно высокому давлению, например, внутри Урана и Нептуна.
Затем образец нагревается до более чем 2000 градусов Цельсия с помощью инфракрасного лазера. В то же время зеленый лазерный луч освещает образец. Измеряя волновой спектр рассеянного зеленого лазерного света, исследователи могут определить эластичность материала и химические связи в аммиаке. Сдвиги волнового спектра при разных давлениях и температурах можно использовать для определения упругости аммиака на разных глубинах.
В своих измерениях Кимура и Мураками обнаружили новую суперионную аммиачную фазу (γ-фаза), которая демонстрирует эластичность, аналогичную эластичности жидкой фазы. Эта новая фаза может быть стабильной в глубоких недрах Урана и Нептуна и, следовательно, происходить там. Однако суперионный аммиак ведет себя как жидкость, и поэтому он не будет достаточно вязким, чтобы способствовать образованию неконвективного слоя.
Вопрос о том, какими свойствами обладает суперионная вода внутри Урана и Нептуна, становится тем более актуальным в свете новых результатов. Даже сейчас загадка того, почему две планеты имеют такое нерегулярное магнитное поле, все еще остается нерешенной.