داخل أورانوس ونبتون، يصبح الماء شيئًا غير متوقع على الإطلاق

في ظل الظروف الكوكبية القاسية، يتحول الماء إلى مادة صلبة غريبة موصلة للكهرباء مختبئة في أعماق الكواكب العملاقة.

تتشكل المياه الفائقة التأين فقط في ظل بعض الظروف الأكثر كثافة الموجودة في الطبيعة، حيث تصل درجات الحرارة إلى عدة آلاف من الدرجات مئوية وتصعد الضغوط إلى ملايين الأجواء. في ظل هذه الظروف المتطرفة، يدخل الماء في حالة غير عادية حيث يتم قفل ذرات الأكسجين في إطار صلب بينما تتحرك أيونات الهيدروجين بحرية عبر الهيكل.

لماذا تعتبر المياه الفائقة التأين مهمة بالنسبة للكواكب العملاقة؟

ولأن هذه المرحلة تسمح للتيار الكهربائي بالتدفق بكفاءة عالية، فقد ربطها العلماء بالمجالات المغناطيسية غير العادية التي لوحظت حول الكواكب العملاقة الجليدية. أورانوس و نبتون يُعتقد أنها تحتوي على كميات هائلة من المياه في أعماقها، مما يزيد من احتمال أن تكون المياه فائقة التأين هي الشكل الأكثر انتشارًا للمياه في النظام الشمسي.

لغز طويل الأمد حول التركيب الذري

تم إنشاء الماء الفائق التأين في التجارب المعملية من قبل، لكن ترتيبه الداخلي ظل غير مؤكد. اقترحت دراسات سابقة أن ذرات الأكسجين قد تنظم نفسها في واحدة من بنيتين مكعبتين. وشملت هذه نمطًا مكعبًا يتمحور حول الجسم، مع ذرة تقع في وسط كل مكعب، أو نمط مكعب يتمركز حول الوجه، مع وضع الذرات على وجوه المكعب.

تجارب جديدة تكشف صورة أكثر تعقيدا

تظهر أحدث الأبحاث أن الواقع أكثر تعقيدًا بكثير. بدلًا من تشكيل نمط منظم واحد، يحتوي الماء الفائق التأين على مزيج من المناطق المكعبة المتمركزة حول الوجه والطبقات السداسية المتراصة. في المناطق السداسية، تتكدس الذرات بإحكام في أنماط متكررة سداسية الجوانب. وعندما تتداخل هذه الترتيبات المختلفة، فإنها تنتج مخالفات هيكلية واسعة النطاق. وبدلاً من شبكة نظيفة ومتكررة، تشكل ذرات الأكسجين تسلسلاً هجينًا ومضطربًا لا يمكن اكتشافه إلا باستخدام قياسات دقيقة للغاية من أشعة ليزر الأشعة السينية المتقدمة.

إعادة خلق ظروف الكواكب في المختبر

وللكشف عن هذه التفاصيل، أجرى الباحثون تجربتين رئيسيتين. تم إجراء أحدهما في أداة المسألة في الظروف القاسية (MEC) في LCLS في الولايات المتحدة، والآخر تم إجراؤه في أداة HED-HIBEF في XFEL الأوروبية. وسمحت هذه المرافق للعلماء بضغط الماء إلى ما يتجاوز 1.5 مليون ضغط جوي وتسخينه إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية، مع التقاط لقطات لبنيته الذرية خلال أجزاء من تريليون من الثانية.

ما يكشفه هذا الاكتشاف عن الماء والكواكب

تتطابق النتائج بشكل وثيق مع نتائج عمليات المحاكاة الحاسوبية الأكثر تقدمًا، وتُظهر أن الماء الفائق التأين يمكن أن يتخذ أشكالًا هيكلية متعددة. ويعكس هذا السلوك سلوك الجليد العادي، المعروف بوجوده في العديد من الهياكل البلورية اعتمادًا على درجة الحرارة والضغط. يسلط العمل الضوء على أن الماء – على الرغم من بساطته الواضحة – يستمر في إظهار سلوك مدهش ومعقد في ظل الظروف القاسية. توفر النتائج أيضًا حدودًا مهمة لتحسين نماذج البنية الداخلية وتطور الكواكب العملاقة الجليدية، والتي يُعتقد أنها شائعة في جميع أنحاء الكون.

تم دعم المشروع من خلال مبادرة مشتركة بين مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) ووكالة تمويل الأبحاث الفرنسية ANR. ساهم في التجارب والتحليل أكثر من 60 عالمًا من أوروبا والولايات المتحدة.

المرجع: “ملاحظة الحزمة الطبقية المتفوقة في المياه الفائقة، E. Brambrink، E. Cunningham، A. Descamps، St. Dio Cafiso، G. Dyer، LB Fletch، M. French، M. Frost، E Herbert، J.-A. Border، B. Heuser، H. Höppner، Hims، R. Husband، D. Khaghani، Z. Kuhlke، أ. لاسو جارسيا، إتش جيه لي، ناكاتسوتس، جي بي ناكيدلر، بي كيه أوكاي، إس. باندولفي، أ. بيلكا، تي آر بريستون، سي سي. اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-025-67063-2

تم دعم المشروع كجزء من مبادرة مشتركة بين مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) ووكالة تمويل الأبحاث الفرنسية ANR. وشارك في التجارب والتقييم أكثر من 60 عالمًا من أوروبا والولايات المتحدة.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.