Theo các mô phỏng tính toán mới của Cong Liu và Ronald Cohen thuộc Viện Carnegie, phần bên trong của các hành tinh băng khổng lồ như Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có thể chứa một trạng thái vật chất chưa từng được biết tới trước đây. Công trình của họ, công bố trên tạp chí Nature Communications, dự đoán rằng một trạng thái “siêu ion” gần như một chiều của carbon hydride tồn tại dưới các điều kiện áp suất và nhiệt độ cực đoan ở sâu bên trong những thiên thể vùng ngoài Hệ Mặt Trời này.
Đến nay, người ta đã phát hiện hơn 6.000 ngoại hành tinh. Khi con số này tiếp tục tăng, các nhà thiên văn, nhà khoa học hành tinh và nhà khoa học Trái Đất đang vượt qua ranh giới giữa các chuyên ngành, kết hợp quan sát, thực nghiệm và lý thuyết để xác định và khảo sát những yếu tố giúp chúng ta hiểu được các quá trình động lực đã định hình chúng, trong đó có cả sự hình thành từ trường.
Vì thế, mối quan tâm đối với những quá trình diễn ra sâu dưới bề mặt các hành tinh và vệ tinh trong chính Hệ Mặt Trời của chúng ta cũng ngày càng lớn, bởi điều đó có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn động lực học hành tinh, thậm chí cả khả năng ở được của các hành tinh ở những vùng không gian xa hơn.
Các loại “băng” kỳ lạ bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương
Các phép đo mật độ của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương cho thấy bên trong những hành tinh khổng lồ này có các lớp trung gian gồm những dạng “băng nóng” bất thường, nằm bên dưới lớp khí quyển hydro và heli, nhưng phía trên lõi đá. Các lớp này được cho là gồm nước (H2O), methane (CH4) và amoniac (NH4), nhưng trong những điều kiện cực đoan như vậy, người ta cho rằng sẽ xuất hiện các pha vật chất lạ.
Các hiện tượng vật lý trong những vùng áp suất cao, nhiệt độ cao này có thể tạo ra các trạng thái vật chất khác thường, vì vậy các nhà lý thuyết và thực nghiệm luôn cố gắng dự đoán và tái tạo những gì có thể tồn tại ở đó.
Mô phỏng carbon hydride dưới áp suất cực cao
Sử dụng năng lực tính toán hiệu năng cao và kỹ thuật học máy, Liu và Cohen đã thực hiện các mô phỏng vật lý lượng tử cơ bản đối với carbon hydride (CH) ở mức áp suất từ gần 5 triệu đến gần 30 triệu lần áp suất khí quyển, tương đương 500 đến 3.000 gigapascal, và ở nhiệt độ từ 6.740 đến 10.40 độ F (4.000 đến 6.000 Kelvin).
Các công cụ của họ dự đoán sự xuất hiện của một khung lục giác có trật tự, trong đó các nguyên tử hydro chuyển động dọc theo những lộ trình xoắn ốc, tạo nên một trạng thái “siêu ion” gần một chiều.
Các vật liệu “siêu ion” nằm ở một trạng thái trung gian khác thường giữa chất rắn và chất lỏng - một loại nguyên tử vẫn giữ trong một khung tinh thể có trật tự, còn loại kia trở nên linh động.
Cohen giải thích: “Pha carbon - hydro mới được dự đoán này đặc biệt đáng chú ý vì chuyển động nguyên tử của nó không hoàn toàn là ba chiều. Thay vào đó, hydro chuyển động ưu tiên dọc theo những lộ trình xoắn ốc được xác định rõ, nằm trong một cấu trúc carbon có trật tự.”
Ý nghĩa đối với vùng trong của hành tinh và khoa học vật liệu
Tính định hướng của chuyển động này có ý nghĩa quan trọng đối với cách mà nhiệt và điện được truyền qua phần bên trong các hành tinh. Chuyển động như vậy có thể ảnh hưởng đến sự phân bố lại năng lượng trong lòng hành tinh, độ dẫn điện, và thậm chí cả cách chúng ta diễn giải cơ chế tạo từ trường ở các hành tinh băng khổng lồ.
Kết quả của họ cũng mở rộng hiểu biết của chúng ta về hành vi của các hợp chất đơn giản trong điều kiện cực đoan, cho thấy ngay cả những hệ đơn giản cũng có thể tự tổ chức thành các pha phức tạp ngoài dự đoán.
Liu kết luận: “Carbon và hydro là hai trong số những nguyên tố phong phú nhất trong vật chất hành tinh, nhưng hành vi kết hợp của chúng trong các điều kiện của hành tinh khổng lồ vẫn còn chưa được hiểu đầy đủ.”
Không chỉ với phần bên trong hành tinh, khả năng nhận diện những hiện tượng nổi bật có tính định hướng mạnh trong vật chất ngưng tụ cũng có thể mang lại những ứng dụng quan trọng cho khoa học và kỹ thuật vật liệu.
Nguyễn Đình Nam
Theo Phys.org
