Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã cung cấp bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho sự dẫn truyền mê tín trong băng nước ở điều kiện bên trong hành tinh, xác minh dự đoán 30 năm tuổi.
Trong số nhiều khám phá về vật chất ở áp suất cao đã mang về cho ông giải thưởng Nobel năm 1946, nhà khoa học Percy Bridgman đã phát hiện ra năm dạng băng kết tinh khác nhau, mở ra hơn 100 năm nghiên cứu về cách thức hoạt động của băng trong điều kiện khắc nghiệt.
Một trong những tính chất hấp dẫn nhất của nước là nó có thể trở nên mê tín khi bị nung nóng đến vài nghìn độ ở áp suất cao, tương tự như điều kiện bên trong các hành tinh khổng lồ như Thiên vương tinh và Hải vương tinh. Trạng thái kỳ lạ này của nước được đặc trưng bởi các ion hydro giống như chất lỏng di chuyển trong một mạng tinh thể oxy.
Vì điều này được dự đoán lần đầu tiên vào năm 1988, nhiều nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực này đã xác nhận và cải tiến các mô phỏng số, trong khi những nhóm khác sử dụng các kỹ thuật nén tĩnh để khám phá sơ đồ pha của nước ở áp suất cao. Trong khi chữ ký gián tiếp đã được quan sát, không có nhóm nghiên cứu nào có thể xác định bằng chứng thực nghiệm cho băng nước siêu âm cho đến bây giờ.
Trong một bài báo xuất bản ngày hôm nay trên tạp chí Vật lý Tự nhiên , một nhóm nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL), Đại học California, Berkeley và Đại học Rochester cung cấp bằng chứng thực nghiệm về sự dẫn truyền siêu âm trong nước đá ở điều kiện bên trong hành tinh, xác minh dự đoán 30 năm tuổi.
Sử dụng phương pháp nén sốc, nhóm nghiên cứu đã xác định các chữ ký nhiệt động lực học cho thấy băng tan gần 5000 Kelvin (K) ở 200 gigapascals (GPa – 2 triệu lần khí quyển Trái đất) – cao hơn 4000 K so với điểm nóng chảy ở 0,5 megabar (Mbar) và gần như nhiệt độ bề mặt của mặt trời.
Marius Millot, nhà vật lý học của LLNL, cho biết: “Các thí nghiệm của chúng tôi đã xác minh hai dự đoán chính cho băng siêu âm: độ dẫn proton / ion rất cao trong điểm nóng chảy rắn và cao”. “Công trình của chúng tôi cung cấp bằng chứng thực nghiệm về băng siêu âm và cho thấy những dự đoán này không phải do tạo tác trong các mô phỏng, mà thực sự đã ghi lại hành vi phi thường của nước ở những điều kiện đó. sử dụng động lực phân tử dựa trên mật độ chức năng lý thuyết (DFT-MD). “
“Được thúc đẩy bởi sự gia tăng tài nguyên máy tính có sẵn, tôi cảm thấy chúng ta đã đạt được một bước ngoặt”, Sebastien Hamel, nhà vật lý LLNL và đồng tác giả của bài báo nói thêm. “Chúng tôi hiện đang ở giai đoạn có thể chạy một số lượng lớn các mô phỏng này để vạch ra các phần lớn của sơ đồ pha của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt đủ chi tiết để hỗ trợ hiệu quả các nỗ lực thử nghiệm.”
Sử dụng các tế bào đe kim cương (DAC), nhóm nghiên cứu đã áp dụng 2,5 GPa áp suất (25 nghìn khí quyển) để nén nước trước vào băng VII ở nhiệt độ phòng, một dạng tinh thể hình khối khác với băng hình lục giác “khối băng”, trong ngoài việc đặc hơn 60% so với nước ở áp suất và nhiệt độ môi trường. Sau đó, họ chuyển sang Phòng thí nghiệm Năng lượng Laser (LLE) của Đại học Rochester để thực hiện nén sốc bằng laser của các tế bào được nén trước. Họ đã tập trung tới sáu chùm tia laser Omega-60 cực mạnh của LLE, mang lại xung tia cực tím 1 nano giây cho một trong những viên kim cương. Điều này đã tạo ra sóng xung kích mạnh vài trăm GPa vào mẫu, để nén và làm nóng băng nước cùng một lúc.
“Bởi vì chúng tôi đã nén trước nước, sẽ ít bị sốc hơn so với việc chúng tôi nén nước lỏng xung quanh, cho phép chúng tôi tiếp cận các trạng thái lạnh hơn ở áp suất cao hơn so với các nghiên cứu nén sốc trước đây, để chúng tôi có thể đạt được sự ổn định dự đoán miền của băng siêu âm, “Millot nói.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phép đo tốc độ và phép đo tốc độ cực nhanh giao thoa kế để mô tả đặc tính quang học của nước nén bị sốc và xác định các đặc tính nhiệt động của nó trong thời gian 10-20 nano giây của thí nghiệm, trước khi sóng giải phóng áp suất làm mất mẫu và làm bay hơi kim cương và nước.
“Đây là những thử nghiệm rất khó khăn, vì vậy thật thú vị khi thấy rằng chúng tôi có thể học được rất nhiều từ dữ liệu – đặc biệt là khi chúng tôi mất khoảng hai năm để thực hiện các phép đo và hai năm nữa để phát triển các phương pháp để phân tích dữ liệu”, Millot nói .
Công trình này cũng có ý nghĩa quan trọng đối với khoa học hành tinh vì Thiên vương tinh và Hải vương tinh có thể chứa một lượng lớn băng nước siêu lớn. Các nhà khoa học hành tinh tin rằng những hành tinh khổng lồ này được tạo ra chủ yếu từ hỗn hợp carbon, hydro, oxy và nitơ (CHON) tương ứng với 65% nước theo khối lượng, trộn với amoniac và metan.
Nhiều nhà khoa học hình dung những hành tinh này với nội thất đối lưu chất lỏng hoàn toàn. Bây giờ, phát hiện thực nghiệm về băng siêu âm sẽ cung cấp thêm sức mạnh cho một bức tranh mới cho những vật thể này với một lớp chất lỏng tương đối mỏng và một “lớp phủ” lớn của băng siêu âm. Trên thực tế, một cấu trúc như vậy đã được đề xuất một thập kỷ trước – dựa trên mô phỏng động lực học để giải thích từ trường bất thường của các hành tinh này. Điều này đặc biệt có liên quan khi NASA đang xem xét việc phóng tàu thăm dò Sao Thiên Vương và / hoặc Sao Hải Vương, theo bước của các nhiệm vụ Cassini và Juno thành công tới Sao Thổ và Sao Mộc.
“Từ trường cung cấp thông tin quan trọng về nội thất và sự tiến hóa của các hành tinh, vì vậy thật hài lòng khi các thí nghiệm của chúng tôi có thể kiểm tra và trên thực tế, hỗ trợ ý tưởng máy phát điện mỏng đã được đề xuất để giải thích từ trường thực sự kỳ lạ của Thiên vương tinh và Sao Hải Vương, “Raymond Jeanloz, đồng tác giả của bài báo và giáo sư về Vật lý và Thiên văn học Trái đất & Hành tinh tại Đại học California, Berkeley cho biết. Cũng thật khó hiểu khi băng nước đóng băng có mặt ở hàng ngàn độ bên trong các hành tinh này, nhưng đó là những gì các thí nghiệm cho thấy. “
“Bước tiếp theo sẽ là xác định cấu trúc của mạng oxy”, Federica Coppari, nhà vật lý LLNL và đồng tác giả của bài báo cho biết. “Hiện tượng nhiễu xạ tia X được thực hiện thường xuyên trong các thí nghiệm sốc laser tại Omega và nó sẽ cho phép xác định bằng thực nghiệm cấu trúc tinh thể của nước siêu âm. Điều này sẽ rất thú vị vì các mô phỏng lý thuyết đấu tranh để dự đoán cấu trúc thực tế của băng nước siêu âm.”
Nhìn về phía trước, nhóm dự định sẽ đẩy mạnh việc nén trước cao hơn và mở rộng kỹ thuật này sang các vật liệu khác, như helium, sẽ đại diện cho các hành tinh như Sao Thổ và Sao Mộc.
Đồng tác giả bao gồm Hamel, Peter Celliers, Coppari, Dayne Fratanduono, Damian Swift và Jon Eggert từ LLNL; Jeanloz từ UC Berkeley; và Ryan Rygg và Gilbert Collins, trước đây tại LLNL và bây giờ tại Đại học Rochester. Các thí nghiệm cũng được hỗ trợ bởi các nỗ lực chế tạo mục tiêu của Stephanie Uhlich, Antonio Correa Barrios, Carol Davis, Jim Emig, Eric Folsom, Renee Posadas Soriano, Walter Unites và Timothy Uphaus.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :