Российские ученые предсказали невиданную молекулу в недрах Урана и Нептуна
По их мнению, она влияет на магнитное поле планет
Предсказанный ранее экзотический молекулярный ион акводий должен быть стабилен в условиях недр Урана и Нептун, следует из новых предположений ученых из Сколтеха и их китайских коллег. Если акводий действительно присутствует внутри ледяных гигантов, подтвердится, то он участвует в формировании их необычных по сравнению с другими планетами магнитных полей. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
Магнитные поля Урана и Нептуна до сих пор вызывают у ученых куда больше вопросов, чем поля Юпитера, Сатурна и Земли. Источник магнетизма в недрах нашей планеты – циркуляция жидкого электропроводящего железоникелевого сплава, для которого характерна не электронная, а ионная проводимость. Считается, что подобным образом поля Юпитера и Сатурна порождает циркулирующий на большой глубине водород, который при столь высоких давлениях и температурах переходит в металлическое состояние, обладая электронной проводимостью.
«В условиях, которые существуют в недрах Юпитера, водород становится жидким металлом, его электропроводность обусловлена наличием свободных электронов, которые все атомы водорода сбрасывают «в общий котел» при столь сильном сжатии. А в Уране, как мы предполагаем, сами ионы водорода, то есть протоны, переносят заряд. При этом совершенно не обязательно в форме свободных ионов», – объяснил различие между двумя типами проводимости – и причем тут новый ион один из авторов посвященного акводию исследования, профессор Сколтеха Артем Оганов.
Эту необычную частицу можно представить себе как молекулу воды, к которой прицепились два «лишних» протона, что дает ей двойной положительный заряд. Иными словами, не электроны, а электрически заряженные атомы или молекулы – то есть ионы – сами направленно движутся и тем самым переносят электрический заряд. Какие именно ионы и в каком соотношении циркулируют в недрах ледяных гигантов – пока неясно. И здесь может крыться часть разгадки того, почему их магнитные поля так необычны: сильно отклонены от осей вращения этих планет и исходят не из их центров.
Гибридизациями в химии называют стандартные варианты совмещения двух и более электронных орбиталей атома, на основании которых можно получить своего рода шаблоны молекул и молекулярных ионов с участием этого атома.
«Вопрос был в том, можно ли к гидроксонию присоединить еще один протон и получить недостающее звено в этой цепи? В нормальных условиях такая конфигурация чрезвычайно невыгодна с энергетической точки зрения, но наши расчеты говорят, что она реализуется при выполнении двух условий», – отметил профессор Сяо Дун из Нанькайского университета (Китай), идея которого легла в основу работы.
По его мнению, чтобы вынудить вещество уменьшить свой объем, необходимо высокое давление, что позволит разделить неиспользованную электронную пару кислорода с еще одним ионом водорода. Сяо Дун подчеркнул, что это будет хорошим выходом, в котором получится третья ковалентная связь с водородом, только оба электрона в ней – от кислорода. Еще одно условие: нужно много свободных протонов, то есть сильнокислая среда.
Авторы исследования использовали самые современные методы моделирования, чтобы понять, как вода и плавиковая кислота поведут себя в экстремальных условиях. При давлении порядка 1,5 млн атмосфер и температуре 3 тыс. градусов Цельсия в симуляции стали четко различимы ионы акводия.
Ученые считают, что открытый таким образом новый ион может влиять на поведение и свойства водных сред, в частности кислых сред под большим давлением. Условия, о которых идет речь, примерно соответствуют тому, чего можно было бы ожидать от Урана и Нептуна, где немыслимая толща водного океана оказывает колоссальное давление на глубинные слои вещества и присутствие кислот тоже возможно. А значит, должен образовываться акводий, который будет циркулировать вместе с другими ионами и делать свой вклад в магнитные поля этих планет. Быть может, он даже участвует в формировании неизвестных нам земных минералов, устойчивых в экстремальных условиях.
Внимание уделяют не только другим космическим планетам, но и к освоению и изучению Луны. Исследование студента кафедры «Космические системы и ракетостроение» МАИ Матвея Пятыго сможет стать основополагающей в создании универсальных роверов, которые будут не только эффективными, но и коммерчески привлекательными.
