熱い氷?超イオンの氷の証拠:天王星と海王星の異常な磁場

熱い氷?超イオンの氷の証拠:天王星と海王星の異常な磁場 天文・宇宙
海王星の磁場は、地球の磁場と同様に静止しておらず、時間とともに変化する。写真は2004年8月に撮影されたもの。©NASA's Scientific Visualization Studio

氷は冷たいものです。少なくとも、私たちの冷凍庫や雪、凍った湖にある氷は。

惑星や実験室の高圧装置の中には、例えば氷VIIや氷VIIIのように、数百度や数千度の温度で存在する異なる種類の氷があります。

しかし、これは数十ギガパスカルという非常に高い圧力がかかっているからに他なりません。

圧力と温度は、物質の相図と呼ばれる空間を構成します。

この2つのパラメータに応じて、水のさまざまな姿や、固体、気体、液体、ハイブリッドの状態への遷移が、理論的に予測されたり、すでに実験で証明されたりして、ここに記録されています。

基礎物理学と地質学的問題を結びつける

基礎物理学と地質学的問題を結びつける

2007年1月に撮影された天王星の磁場の様子。©NASA’s Scientific Visualization Studio

圧力や温度が高ければ高いほど、このような実験は難しくなります。

そのため、氷を固相1物質の各部分の化学的・物理的性質が同じ場合,これらの部分は一つの相をなすという。気体,液体,固体からなる相をそれぞれ気相,液相,固相といい,単一の相はただ1種の成分からなる場合と,溶液や固溶体などのように2種以上の成分からなる場合がある。単一の相をなす物質系を均一系(単相系)といい,二つ以上の相からなるものを不均一系(多相系)という。百科事典マイペディア
とする水の相図には、極端な範囲ではまだかなりの不正確さや矛盾があります。

「水は、1つの酸素原子と2つの水素原子からなる、比較的単純な化学物質です。それにもかかわらず、しばしば異常な挙動を示すため、まだ完全には理解されていません。水は多くの惑星の内部で重要な役割を果たしているため、水の場合、物理学と地球科学の基本的な関心事が一致します。水は、生命体や景観の形成だけでなく、ガス状の惑星である天王星や海王星の場合、特異な惑星磁場の形成にも重要な役割を果たしています。」とポツダムGFZの地球物理学者であるSergey Lobanov氏は語ります。

研究室のユニークな環境

Sergey Lobanov氏は、筆頭著者であるシカゴ大学のVitali Prakapenka氏、Nicholas Holtgrewe氏、ワシントンカーネギー研究所のAlexander Goncharov氏らが率いるチームの一員です。

今回、研究チームは、水の極限状態における相図の特徴をさらに明らかにしました。

コンピューターのマウスほどの大きさのダイヤモンドアンビルセルをレーザーで加熱し、最大150ギガパスカル(大気圧の約150万倍)の高圧と、最大6,500ケルビン(摂氏6,227度)の高温を発生させました。

わずか数立方ミリメートルの試料室の中で、天王星や海王星の深さ数千キロメートルの場所で起きている状況が再現されています。

このような条件下で、結晶構造がどのように変化するかをX線回折2X線回折は、X線が結晶格子で回折を示す現象である。 1912年にドイツのマックス・フォン・ラウエがこの現象を発見し、X線の正体が波長の短い電磁波であることを明らかにした。 逆にこの現象を利用して物質の結晶構造を調べることが可能である。で観察しました。

この実験は、シカゴ大学アルゴンヌ国立研究所のAPS(Advanced Photon Source)の非常に明るい放射光を用いて行われました。

また、カーネギー協会の地球惑星研究所で行われた2回目の実験では、分光器を用いて電子伝導度を測定しました。

相空間を通過する際の氷の構造変化:超イオン氷の形成

相空間を通過する際の氷の構造変化:超イオン氷の形成

相図は、非常に高い圧力(X軸)と温度(Y軸)の条件下での水(H2O)の状態を示している。氷惑星である天王星や海王星の内部(濃い灰色の領域)では、水が電気を通す状態になり、磁場を発生させることができるようになる(赤い点線部分)。比較のために。地球のコア-マントル境界(深さ約2900km)では、温度が3000〜4000ケルビン、圧力が約135ギガパスカル(GPa)と想定されている。この圧力は、1平方ミリメートルあたり約14トンに相当する。©S. Lobanov, GFZ

研究チームはまず、室温の水から数十ギガパスカルの圧力をかけて、氷VIIまたはXを生成しました(相図参照)。

さらに、圧力を一定にしたまま、レーザー光で加熱して温度を上げました。

その過程で、結晶性の氷の構造がどのように変化するかを観察しました。

まず、酸素と水素の原子が固定された位置を少しずつ移動し、その後、酸素だけが固定されて立方体の結晶格子3結晶を形成する原子、分子、イオンが規則的に配列され、特定の対称性をもった立体配置をいう。 それぞれの結晶格子は、X線、中性子線などの回折像から知ることができる。 精選版 日本国語大辞典を形成しました。

温度が上がると、水素はイオン化して、唯一の電子を酸素の格子に渡してしまいました。

水素の原子核である正電荷を帯びた陽子は、この固体の中を疾走し、電気を通すようになりました。

このようにして、固体と液体のハイブリッドである「超イオン氷」が誕生したのです。

超イオン氷の存在は、さまざまなモデルに基づいて予測されており、すでに実験室環境下で何度か観測されています。

今回、2つの超イオン氷「氷XVIII」と「氷XX」を合成・同定し、その安定性を示す圧力と温度の条件を明らかにしました。

Lobanov氏は、「氷XVIIIと氷XXは、密度が高く、光伝導率が高いことから、今回観測された構造は、理論的に予測された超イオン氷相であると考えられます。」と説明します。

天王星と海王星の磁場を説明する上での重要性

特に、導電性液体への相転移4ある系の相が別の相へ変わることを指す。は、60%以上が水で構成されていると推定される天王星と海王星の磁場をめぐる未解決の問題に興味深い結果をもたらします。

天王星や海王星の磁場は、地球のように自転軸に対して準平行かつ対称的にはならず、中心から外れた偏った形をしているという点で特異です。

そのため、磁場の形成モデルでは、地球のようにコアで溶融した鉄の動きによって発生するのではなく、天王星や海王星の外側3分の1にある導電性の水を多く含む液体によって発生すると想定されています。

「相図には、天王星や海王星の内部の圧力と温度が描かれています。ここでの圧力は、大まかには内部の深さを表すものと考えてよいでしょう。私たちが測定した精緻な相平衡に基づくと、天王星と海王星の上部3分の1程度は液体ですが、より深い内部には固体の超イオン氷が存在していることがわかります。これは、観測された磁場の起源についての予測を裏付けるものです。」とLobanov氏はまとめています。

今後の展望

地球物理学者は、この2つのガス惑星の内部構造と磁場をさらに解明するために、GFZでさらなる調査が行われることを強調しています。

GFZには、すでに使用されているダイヤモンドアンビルセルに加えて、対応する高圧実験室と高感度分光測定装置があります。

Published by Helmholtz Association of German Research Centres. Vitali Prakapenka, Structure and properties of two superionic ice phases, Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-021-01351-8.