Selv om de kan se rolige ut på avstand, er det enorme krefter i sving inne i iskjempene Uranus og Neptun. Trykk som er millioner av ganger høyere enn ved havnivå på Jorden, kombinert med temperaturer på flere tusen grader, kan skape materialer som oppfører seg på svært uvanlige måter.
I en ny studie fra Carnegie Institution, publisert i Nature Communications, beskriver forskere en mulig helt ny tilstand av materie som kan eksistere under slike ekstreme forhold. Den kalles en kvasi-1D superionisk fase.
Det har lenge vært kjent at «isplanetene» ikke består av is slik vi tenker på det her på Jorden. I stedet antas de å være bygget opp av en varm, tett blanding av blant annet vann, ammoniakk og metan. Problemet er at det er nesten umulig å gjenskape de samme forholdene i et laboratorium, fordi det krever ekstremt høyt trykk og temperaturer som kan ødelegge de fleste beholdere.
Derfor bruker forskere ofte avanserte datasimuleringer. En av metodene som har vært brukt tidligere, er en modell som forsøker å etterligne miljøet inne i Uranus, inkludert trykk og varme. Kjemiske studier har allerede vist at vanlige molekyler ikke nødvendigvis overlever i sin vante form ved så høye trykk. Metan kan for eksempel brytes ned rundt 95 gigapascal, og da kan det dannes hydrogenrike materialer samt karbonstrukturer, som i noen tilfeller kan ligne diamant.
Men også slike simuleringer har begrensninger, særlig når trykket blir enda høyere. I den nye studien har forskerne derfor tatt utgangspunkt i en mer grunnleggende tilnærming der kvantemekanikken i systemet brukes til å bygge opp miljøet i modellen.
Ifølge resultatene kan karbon og hydrogen ved trykk over 1100 gigapascal danne en stabil forbindelse med en svært spesiell struktur. Karbonatomene låser seg i et stivt, fast gitter formet som en kiral heliks, som kan beskrives som en mikroskopisk, vridd spiraltrapp.
Det mest oppsiktsvekkende skjer når temperaturen øker. Vanligvis ville varme få et slikt gitter til å smelte og bli flytende, slik at atomene kan bevege seg fritt. I enkelte materialer kan imidlertid én type atomer forbli i en krystallstruktur, mens en annen type begynner å bevege seg mer fritt. Dette kalles en superionisk tilstand.
I temperaturintervallet mellom omtrent 1000 og 3000 kelvin går den nye karbon-hydrogen-forbindelsen inn i en superionisk tilstand, men på en uvanlig måte. Her er det karbonatomene som danner krystallgitteret. Hydrogenatomene beveger seg samtidig innenfor rammene av denne strukturen, og ser ut til å diffundere særlig langs heliksen, samtidig som de også viser en tydelig rotasjonsbevegelse på tvers.
Forskerne beskriver dette som en hybrid bevegelse: hydrogenatomene kan flyte relativt lett opp og ned «trappen», mens de i andre retninger i større grad roterer enn forflytter seg. Denne kombinasjonen av én dominerende transportretning og todimensjonal rotasjon gjør at de kategoriserer materialet som den første kjente kvasi-1D superioniske tilstanden.
Hvis en slik fase faktisk finnes inne i iskjempene, kan den få konsekvenser for hvordan vi forstår egenskapene til materialene der. Den viktigste effekten er at egenskapene blir anisotrope, altså at de endrer seg avhengig av retningen man måler i. Modellen antyder at materialet kan lede varme og elektrisitet svært godt langs «trappens» akse, men betydelig dårligere i de andre retningene. Samtidig tyder resultatene på at elektrisk ledningsevne fortsatt i stor grad styres av elektroner, selv om hydrogenionene er i bevegelse.
På større skala kan dette påvirke teoriene om hvorfor magnetfeltene til Uranus og Neptun er så uvanlige. Tradisjonelle modeller har ofte antatt at varme, superioniske «iser» leder varme og elektrisitet likt i alle retninger. Dersom ledningsevnen i stedet er sterkt retningsavhengig, kan det utfordre slike forutsetninger og potensielt passe bedre med observasjonene vi har av planetene.
Forskerne understreker at en enkel karbon-hydrogen-modell er en kraftig forenkling av de kompliserte kjemiske og termiske prosessene som trolig foregår i planetkjernene. Likevel viser studien at det kan være mulig å komme nærmere en forståelse av materialene i disse miljøene gjennom beregninger, og at planetforskning fortsatt kan avdekke overraskelser om hvordan materie oppfører seg i universets mest ekstreme forhold.
