Φυσικοί ανακαλύπτουν νέα μορφή του νερού που πιθανότατα απαντάται στο Διάστημα!

Σύνοψη

• Φυσικοί του πανεπιστημίου UNLV συμπίεσαν μικροσκοπικές ποσότητες νερού ανάμεσα σε διαμάντια για να προσομοιώσουν τις συνθλιπτικές πιέσεις που επικρατούν στους πυρήνες των εξωπλανητών.
• Η έρευνα αποκαλύπτει μια εντελώς άγνωστη μέχρι πρότινος κατάσταση της ύλης, όπου το νερό συμπεριφέρεται ταυτόχρονα ως στερεό κρυσταλλικό πλέγμα και ως αγώγιμο υγρό.
• Τα νέα ευρήματα ανατρέπουν τα τρέχοντα αστροφυσικά μοντέλα για την πιθανή ύπαρξη και συμπεριφορά ωκεανών σε μακρινούς πλανήτες του γαλαξία μας.
• Η παρατηρούμενη υπεριοντική δομή παρουσιάζει εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, παίζοντας ίσως τον καθοριστικότερο ρόλο στη δημιουργία των ασύμμετρων μαγνητικών πεδίων που παρατηρούνται σε πλανήτες όπως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας.

Ερευνητές του πανεπιστημίου UNLV, χρησιμοποιώντας διαμαντένια αμόνια και συστήματα θέρμανσης με ισχυρά λέιζερ, απέδειξαν ότι κάτω από ακραίες πιέσεις εκατομμυρίων ατμοσφαιρών το νερό μετατρέπεται σε μια υπεριοντική κατάσταση. Στη φάση αυτή το οξυγόνο σχηματίζει ένα στερεό κρυσταλλικό πλέγμα ενώ τα ιόντα υδρογόνου ρέουν ελεύθερα, προσδίδοντας στο υλικό εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και αναδιαμορφώνοντας πλήρως την κατανόηση μας για την πλανητική φυσική.

Η θεμελιώδης κατανόηση του νερού, της ουσίας που αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο της ζωής στον πλανήτη μας, διευρύνεται με καταιγιστικούς ρυθμούς χάρη στις προσπάθειες της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας να αποκρυπτογραφήσει τα μυστικά του Σύμπαντος. Αν και οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουμε τις τρεις βασικές καταστάσεις της ύλης του νερού (στερεό, υγρό και αέριο), η επιστήμη της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης έχει αποδείξει εδώ και δεκαετίες ότι η δομή του H2O μεταβάλλεται δραματικά κάτω από ακραίες θερμοδυναμικές συνθήκες, σχηματίζοντας δεκάδες διαφορετικές φάσεις πάγου. 

Οι ερευνητές του πανεπιστημίου της Νεβάδα στο Λας Βέγκας (UNLV) προχώρησαν ένα βήμα παραπέρα, υποβάλλοντας δείγματα νερού σε εξωφρενικά υψηλές πιέσεις, με σκοπό να αναπαραστήσουν με ακρίβεια το εχθρικό περιβάλλον που κρύβεται βαθιά στο εσωτερικό των παγωμένων γιγάντων του ηλιακού μας συστήματος και των μακρινών εξωπλανητών.

Η μεθοδολογία πίσω από αυτό το μνημειώδες επίτευγμα απαιτεί τεχνολογικό εξοπλισμό αιχμής, καθότι η αναπαραγωγή πιέσεων που υπερβαίνουν κατά εκατομμύρια φορές την ατμοσφαιρική πίεση της Γης στο επίπεδο της θάλασσας δεν είναι ένα απλό εγχείρημα. Οι φυσικοί χρησιμοποίησαν μια συσκευή γνωστή ως κελί διαμαντένιου αμονιού (diamond anvil cell), η οποία λειτουργεί παγιδεύοντας μια απειροελάχιστη σταγόνα καθαρού νερού ανάμεσα στις απόλυτα επίπεδες και λειασμένες άκρες δύο συνθετικών διαμαντιών, τα οποία συμπιέζονται μηχανικά με τη βοήθεια ειδικών κοχλιών. Καθώς η πίεση αυξάνεται εκθετικά στον μικροσκοπικό θάλαμο, ενεργοποιούνται παλμικά λέιζερ υψηλής ισχύος τα οποία θερμαίνουν το συμπιεσμένο δείγμα σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους χιλιάδες βαθμούς Κελσίου, προσομοιώνοντας έτσι τη θερμοδυναμική κόλαση που επικρατεί χιλιάδες χιλιόμετρα κάτω από τα εξωτερικά νέφη πλανητών όπως ο Ουρανός, ο Ποσειδώνας ή οι εξωπλανήτες κατηγορίας “Υδάτινων Κόσμων”.

Κάτω από αυτές τις ακραίες συνθήκες οι παραδοσιακοί χημικοί δεσμοί που συγκρατούν τα μόρια του νερού καταρρέουν, οδηγώντας σε έναν ριζικό διαχωρισμό των ατόμων που συγκροτούν την ουσία. Τα άτομα του οξυγόνου, λόγω του μεγαλύτερου μεγέθους και βάρους τους, κρυσταλλώνονται σχηματίζοντας ένα απόλυτα συμμετρικό και σταθερό πλέγμα το οποίο προσδίδει δομική ακαμψία. Από την άλλη, τα πρωτόνια του υδρογόνου αποσπώνται από τα άτομα οξυγόνου και αρχίζουν να κινούνται ανεξέλεγκτα με τεράστιες ταχύτητες μέσα στα κενά του κρυσταλλικού πλέγματος, ρέοντας ουσιαστικά όπως ένα υγρό μέσα σε ένα στερεό σφουγγάρι. Το τελικό αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι η δημιουργία του λεγόμενου υπεριοντικού πάγου, μιας φάσης του νερού που είναι ταυτόχρονα στερεή και υγρή, η οποία χαρακτηρίζεται κυρίως από τη δυνατότητα της να άγει τον ηλεκτρισμό με την ίδια ευκολία που το κάνει ένα τυπικό μέταλλο, αφού τα ελεύθερα κινούμενα πρωτόνια μεταφέρουν ακούραστα ηλεκτρικά φορτία κατά μήκος της δομής.

Η επιβεβαίωση της ύπαρξης αυτής της παράξενης κατάστασης της ύλης απαιτούσε τη χρήση πηγών φωτός συγχρότρου (synchrotron) και λέιζερ ακτίνων Χ ελεύθερων ηλεκτρονίων, τα οποία βομβάρδισαν το δείγμα την κρίσιμη στιγμή της συμπίεσης για να καταγράψουν με ασύλληπτη ταχύτητα και ανάλυση το μοτίβο περίθλασης των ακτίνων Χ, αποκαλύπτοντας την εσωτερική κρυσταλλική διάταξη των ατόμων μέσα σε κλάσματα του νανοδευτερολέπτου. Τα δεδομένα που προέκυψαν από αυτές τις μετρήσεις επιβεβαιώνουν τις θεωρητικές προβλέψεις που είχαν διατυπωθεί από κβαντικούς χημικούς εδώ και αρκετές δεκαετίες, προσφέροντας παράλληλα νέα, ανεκτίμητα εργαλεία στους αστροφυσικούς που προσπαθούν να μοντελοποιήσουν το εσωτερικό των πλανητών χρησιμοποιώντας πολύπλοκους υπολογιστικούς αλγορίθμους.

Οι αστροφυσικές προεκτάσεις αυτής της εντυπωσιακής εργαστηριακής επιτυχίας είναι κολοσσιαίες, ιδιαίτερα όταν αναλογιστούμε τα άλυτα μυστήρια του δικού μας ηλιακού συστήματος, όπως τα παράξενα, ασύμμετρα μαγνητικά πεδία των παγωμένων γιγάντων. Σε αντίθεση με τη Γη, όπου το μαγνητικό πεδίο παράγεται από τον περιστρεφόμενο πυρήνα υγρού σιδήρου στο κέντρο του πλανήτη, ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας διαθέτουν μαγνητικά πεδία που παρουσιάζουν τεράστια απόκλιση από τον άξονα περιστροφής τους και φαίνεται να πηγάζουν από ένα στρώμα που βρίσκεται πολύ πιο κοντά στην επιφάνεια. Η ύπαρξη ενός απέραντου μανδύα που αποτελείται από αγώγιμο υπεριοντικό νερό δικαιολογεί απόλυτα αυτή την ανωμαλία, καθώς η έντονη κυκλοφορία των ιόντων υδρογόνου σε ένα τόσο ευρύ φλοιό θα παρήγαγε ακριβώς το είδος του πολύπλοκου, λοξού μαγνητικού πεδίου που καταγράφουν τα διαστημικά σκάφη κατά τις πλανητικές τους προσεγγίσεις.

Πέρα από τα στενά όρια της γειτονιάς μας, οι ανακαλύψεις του UNLV υποχρεώνουν τους αστροβιολόγους να επαναπροσδιορίσουν πλήρως τις παραμέτρους της κατοικησιμότητας για τους αμέτρητους εξωπλανήτες που ανακαλύπτονται συνεχώς από τηλελεσκόπια όπως το James Webb και το Kepler. Αν ένας πλανήτης καλύπτεται από έναν υπερμεγέθη ωκεανό βάθους χιλιάδων χιλιομέτρων, η τεράστια πίεση στον πυθμένα θα οδηγούσε αναπόφευκτα στη δημιουργία ενός παχέος στρώματος υπεριοντικού πάγου υψηλής πίεσης, το οποίο θα λειτουργούσε ως αδιαπέραστο γεωλογικό φράγμα. Ο πάγος αυτός θα απομόνωνε τον υγρό ωκεανό από τον βραχώδη πυρήνα του πλανήτη, αποτρέποντας την ανταλλαγή απαραίτητων ορυκτών και χημικών στοιχείων μέσω των υδροθερμικών πηγών, ακυρώνοντας ενδεχομένως τις γεωχημικές αντιδράσεις που θεωρούνται απολύτως απαραίτητες για την εμφάνιση και τη συντήρηση έστω και της πιο πρωτόγονης μικροβιακής ζωής.

Ο άθλος των ερευνητών του UNLV συνιστά ένα τεχνολογικό και επιστημονικό επίτευγμα που δεν μπορεί να αγνοηθεί από όσους παρακολουθούν στενά τις εξελίξεις της επιστήμης των υλικών και της διαστημικής εξερεύνησης. Η ικανότητα της ανθρωπότητας να προσομοιώνει ακραίες πλανητικές συνθήκες σε ένα εργαστήριο λίγων τετραγωνικών μέτρων, χειραγωγώντας την ίδια τη δομή της ύλης σε ατομικό επίπεδο μέσω πανίσχυρων λέιζερ και ακτίνων Χ, αποδεικνύει την τρομακτική εξέλιξη των εργαλείων μέτρησης και ανάλυσης. Η επιβεβαίωση της ύπαρξης του υπεριοντικού νερού μας υπενθυμίζει ότι οι νόμοι της φυσικής επιφυλάσσουν ακόμα τεράστιες εκπλήξεις όταν τους πιέζουμε στα άκρα τους, επαναπροσδιορίζοντας τα κριτήρια με τα οποία γίνεται η αναζήτηση της «Δεύτερης Γης» στον γαλαξία μας.

Πηγή – Techgear

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

BUY & SELL IN CYPRUSwww.buyme.cy