Сверхплотный внеземной лед, образованный (лазерной) вспышкой

В новом эксперименте исследователи создали сверхплотную версию льда, найденную глубоко в ледяных лунах и сталкивающихся кометах, и наблюдали за его формированием в наносекундах.

Ученые создали лед, подвергая обычную воду внезапная, интенсивная, генерируемая лазером ударная волна и они наблюдали образование сверхплотной фазы льда, называемой льдом VII, используя быстрые рентгеновские импульсы, чтобы зафиксировать почти мгновенное изменение фазы. Преобразование происходило в когерентном источнике света Linac Национальной ускорительной лаборатории SLAC - самом мощном в мире рентгеновском лазере.

«Мы очень рады этой работе, потому что это первое дифракционное свидетельство или структурное свидетельство того, что жидкая вода превращается в реальном времени, на месте, в кристаллическую фазу высокого давления», - говорит Арианна Глисон, ведущий автор новой работы. , рассказал Space.com. «Последствия для этой работы в контексте науки о планетах и ​​геонауки для ледяных спутников или больших ледяных планетарных тел, - скажем, ледяных гигантов даже в нашей собственной солнечной системе - действительно захватывающие». Глисон - исследователь в Лос-Аламосской национальной лаборатории и приглашенный ученый в Стэнфордском университете в Калифорнии, где расположена Национальная ускорительная лаборатория SLAC. [ Розетта видит признаки водяного льда на поверхности кометы (фотографии) ]

Молекулы воды в их многочисленных формах находятся по всей Солнечной системе; они изливаются из подземных океанов на Луна Сатурна Энцелад а также Луна Юпитера Европа образуют тела ледяных посетителей кометы из дальний пояс Койпера и появляются в следовых количествах в атмосферах многих планет.

На Земле люди знакомы с тем, как водяной пар может превращаться в жидкую воду, а жидкая вода - в лед при понижении температуры или повышении давления (и он может переходить из льда в воду и превращаться в пар при обратном). В определенных условиях лед может даже превратиться прямо в водяной пар - процесс, называемый сублимацией. Но это далеко не единственные формы, которые может принимать вода; переходя к потусторонним крайностям температуры и давления, молекулы воды могут скользить в различные кристаллические формы.

Обычный лед образует гексагональные кристаллы, но форма льда, исследованная исследователями, лед VII, имеет кубическую структуру. Эту форму льда трудно создать и поддерживать в лаборатории, и до сих пор было невозможно измерить его образование. Тем не менее, исследователи предполагают, что он кратковременно образуется при столкновении комет или ледяных лун, что влияет на форму кратеров.

Круглый слой воды зажат между алмазной пластинкой, покрытой золотом, и кварцевой пластинкой. Когда поверхность обдувается интенсивным зеленым лазером, ударная волна превращает слой воды в лед VII. Сверхбыстрое рентгеновское изображение отображает процесс трансформации, как это происходит.

(Изображение: © Арианна Глисон)

Чтобы воссоздать эту среду столкновения, группа Глисона поместила крошечный пакет жидкой воды размером с кончик ручки в крошечную ячейку размером 2 на 2 миллиметра (0,08 на 0,08 дюйма). Они направили мощный зеленый лазер на кусок алмаза на краю клетки, почти мгновенно испаряя его край в плазму. Эта сила посылала ударные волны в другом направлении, проходя через воду.

«Это действительно похоже на крошечный эффект ракеты», - сказал Глисон. «Мы обнаружили, что мы можем преобразовать жидкость в твердое тело, просто пропустив ударную волну. И в течение этого крошечного, короткого промежутка времени - это действительно всего несколько наносекунд, это миллиардная доля секунды - мы исследуем эти сверхбыстрые и блестящие рентгеновские импульсы. "

Хотя этот тип процесса ударного сжатия был выполнен ранее, документировать, как перегруппировку молекул воды, возможно только с помощью рентгеновского лазера Linac, сказал Глисон. Как и флипбук, рентгеновские снимки обеспечивают движущуюся запись того, как образовался лед.

«Столкновения и столкновения между большими телами [в космосе] - этот динамический процесс очень трудно смоделировать», - сказал Глисон. «Таким образом, проведение эксперимента по ударному сжатию, подобного этому, в котором мы можем реально видеть [в] реальном времени, как составляющие материалы преобразуются из одного в другой, действительно волнительно и создает новые ограничения для формирования этих тел». [ Обнаружен водяной лед в кратере Шеклтона Луны ]

[   Обнаружен водяной лед в кратере Шеклтона Луны   ]

Исследователи протестировали крошечные водяные ячейки в вакуумной камере, чтобы попытаться представить процесс замораживания до начала эксперимента. Позже они сжимали шок и разрушали камеру - но непосредственно перед тем, как она была разрушена, они собирали рентгеновские снимки воды, превращающейся в ледовую фазу VII высокого давления.

(Изображение: © Арианна Глисон)

Сара Стюарт, исследователь из Калифорнийского университета в Дэвисе, которая не была связана с новой работой, изучает, как гигантские удары формируют кратеры, обнаруженные на телах Солнечной системы. Для ее дипломной работы она также сформировала фазы льда как лед VII в лаборатории. По ее словам, единственный способ, которым Стюарт мог подтвердить, что она создала определенный лед, - это измерить его плотность. Новая работа позволяет исследователям отслеживать структуру льда по мере его формирования.

«Что удивительно в работе Арианны, так это то, что она может воспроизвести в лаборатории небольшую частичку того, что природа сделала в солнечной системе миллионы раз, и дать нам понять, что возможно с точки зрения этих фазовых изменений», - сказала Стюарт Space.com. «Природа создает ударные волны, как и в этих лабораторных экспериментах, путем кратеров при ударе, и у нас есть эти ледяные поверхности по всей Солнечной системе с ударными кратерами на них».

Знание того, как лед VII образуется во время столкновений комет и луны, имеет решающее значение для понимания учеными того, как образуются кратеры. В работе Стюарта она задалась вопросом, быстро ли она сформировалась, что приведет к структуре кратера, похожей на то, что видно в реальности, или медленно - что может потребовать другого объяснения формы кратера. Эта работа подтверждает, что лед VII может сформироваться чрезвычайно быстро.

Но помимо этого, как Глисон, так и Стюарт сказали, что с нетерпением ждут, чтобы исследователи применили эту технику к ряду материалов, чтобы узнать, как они изменяют форму при воздействии внезапного шока. Это помогло бы ученым не только выяснить, что происходит в бурной солнечной системе, но и узнать гораздо больше о том, как материалы в целом изменяются, что является важным вопросом для физиков и химиков.

«Глядя на фундаментальные материалы, которые повсюду в Солнечной системе, чтобы понять что происходит под динамическим давлением - как материаловед, вы съели это, - сказал Стюарт. С помощью этого эксперимента, - я знаю, какова структура; Я могу показать вам, сколько времени потребуется, чтобы добраться туда. Это абсолютно убедительно. Там нет руки махать. Потребовалось это удивительное новое средство, чтобы сделать это ».

Новая работа была подробно сегодня (11 июля) в журнале Physical Review Letters.

Напишите Сару Левин по электронной почте [email protected] или подпишитесь на нее @SarahExplains Подписывайтесь на нас @Spacedotcom , facebook а также Google+ , Оригинальная статья на Space.com ,