Observation of hexagonal close-packed water ice at conditions in ice giant planetary interiors

في أعماق العوالم المتجمدة لأورانوس ونبتون، بعيداً عن متناول أي مسبار، توجد المياه في حالة تتحدى تجربتنا اليومية. فتحت الوزن الساحق لداخل هذه الكواكب، لا تكون المياه سائلة أو جليداً عادياً؛ بل تصبح مادة غريبة وكثيفة حيث تترابط ذرات الأكسجين في شبكة منظمة وصلبة، بينما تتحرر ذرات الهيدروجين وتتدفق مثل السائل عبر تلك الشبكة. يطلق العلماء على هذه الحالة اسم "الحالة فوق الأيونية" (superionic state)، وهي طور يجمع بين كونه صلباً وسائلاً في آن واحد، ويُعتقد أنها المفتاح لفهم المجالات المغناطيسية غير العادية لهذه العمالقة البعيدة. لعقود من الزمن، حاول الباحثون رسم خريطة دقيقة لكيفية سلوك الماء تحت هذا الضغط والحرارة الشديدين، لكن الظروف المطلوبة لإعادة إنشاء داخل هذه الكواكب في المختبر كانت قاسية للغاية لدرجة أنها ظلت لغزاً إلى حد كبير.

لقد تمكن فريق من العلماء الآن من استراق النظر إلى هذا العالم الخفي، باستخدام تقنية تضغط عينات صغيرة من الجليد بين ماسيتين مع تسخينها باستخدام ليزر قوي. ومن خلال إطلاق أشعة سينية عالية الطاقة عبر العينة، تمكنوا من رؤية الترتيب الدقيق للذرات في الداخل. وتكشف أعمالهم أنه تحت الظروف المكثفة الموجودة في أعماق العمالقة الجليدية، لا يشكل جليد الماء نوعاً واحداً فقط من البنية البلورية، كما كان يُعتقد سابقاً، بل يشكل ترتيباً سداسياً محدداً لذرات الأكسجين يصبح هو الشكل السائد عند أعلى مستويات الضغط ودرجات الحرارة. يشير هذا الاكتشاف إلى أن داخل كواكب مثل نبتون قد يكون أكثر تعقيداً مما تسمح به نماذجنا الحالية، مما قد يغير فهمنا لتدفق الكهرباء والحرارة داخلها.

بدأت الرحلة نحو هذا الاكتشاف بتحدٍ بسيط ولكنه صعب: كيف يمكن تثبيت عينة من جليد الماء تحت ضغوط تزيد عن مليوني ضعف الضغط الجوي على سطح الأرض، مع تسخينها أيضاً إلى درجات حرارة تفوق حرارة سطح الشمس. استخدم الباحثون جهازاً يسمى "خلية سندان الماس" (diamond anvil cell)، والتي تتكون من ماستين بجودة الأحجار الكريمة لهما رؤوس مسطحة صغيرة جداً. وضعوا ذرة مجهرية من الجليد بين هذين الرأسين وضغطوهما معاً. وللوصول إلى درجات الحرارة اللازمة، قاموا بتسخين الجليد باستخدام الليزر، مع استخدام شعاع ساطع من الأشعة السينية من مسرع جسيمات ضخم في الوقت نفسه لالتقاط "صورة" للبنية الذرية. سمح لهم ذلك بمراقبة تغير شكل الجليد في الوقت الفعلي أثناء تعديل الضغط ودرجة الحرارة.

في مجموعتهم الأولى من التجارب، بدأ الفريق بجليد تم ضغطه بالفعل إلى ضغط يبلغ حوالي 80 جيجاباسكال. وقاموا بتسخينه إلى ما يقرب من 2000 درجة مئوية، مما خلق حالة فوق أيونية حيث كانت ذرات الهيدروجين حرة الحركة. ومع تبريد العينة ببطء، راقبوا تحول البنية الذرية. في البداست، كانت ذرات الأكسجين مرتبة في نمط مكعب ممركز الوجه، وهو طريقة شائعة لتراكم الذرات في العديد من المواد الصلبة. ولكن مع انخفاض درجة الحرارة، بدأت هذه البنية في التشوه. لاحظ الباحثون تحولاً تدريجياً حيث بدأ النمط المكعب المنظم في الانهيار وإعادة التنظيم إلى نمط سداسي. لم يكن تحولاً مفاجئاً، بل انتقالاً بطيئاً وفوضوياً حيث وُجد كلا الهيكلين جنباً إلى جنب، مع سيطرة الشكل السداسي ببطء. هذه العملية، المعروفة باسم "التحول المارتنزيتي" (martensitic transition)، تشبه كيفية تغير البنية الداخلية للصلب عند تبريده بسرعة، ليصبح أكثر صلابة وصلابة.

وفي تجربة ثانية أكثر تطرفاً، دفع الفريق الضغط إلى مستويات أعلى، ليصل إلى 230 جيجابكال، وسخنوا الجليد إلى أكثر من 2600 درجة مئوية. هنا، كانت النتائج أكثر وضوحاً. ففي ظل هذه الضغوط الهائلة، لم يظهر الهيكل السداسي كمجرد خلل مؤقت، بل أصبح الشكل السائد للجليد. أظهرت بيانات الأشعة السينية أن ذرات الأكسجين قد استقرت في ترتيب سداسي متراص، وهو هيكل محكم التراص يختلف عن الهيكل المكعب المشاهد عند الضغوط المنخفضة. لاحظ الباحثون أن هذه المرحلة السداسية لم تكن مجرد تباين طفيف، بل كانت الحالة الأساسية للجليد تحت هذه الظروف المحددة. كما وجدوا أن هذه المرحلة الجديدة تعمل كموصل فوق أيوني، مما يعني أن ذرات الهيدروجين كانت لا تزال تتدفق بحرية عبر شبكة الأكسجين، لكن الشبكة نفسها قد غيرت شكلها.

كان أحد أكثر النتائج إثارة للدهشة هو كيفية تفاعل الهيكلين، المكعب والسداسي. أظهرت البيانات أن الشكل السداسي غالباً ما ينبثق من المكعب أثناء تبريد العينة، مما يشير إلى أن الهيكل المكعب لم يكن الشكل النهائي الأكثر استقراراً في تلك الأعماق الشديدة. بدلاً من ذلك، يبدو أن الشكل السداسي أكثر استقراراً عند الضغوط الأعلى، حيث حل محل الشكل المكعب تماماً. وهذا يتحدى النماذج السابقة التي افترضت أن الهيكل المكعب هو الشكل الرئيسي للجليد فوق الأيوني في الأعماق الداخلية للعمالقة الجليدية. كما لاحظ الباحثون أن الانتقال بين هذين الشكلين لم يكن خطاً نظيفاً وحاداً، بل منطقة واسعة يتعايش فيها كلا الهيكلين، متأثرة بالمسار الدقيق الذي اتخذته العينة عبر الضغط ودرجة الحرارة.

تصل تداعيات هذا الاكتشاف إلى ما هو أبعد بكثير من المختبر. فالمجالات المغناطيسية لأورانوس ونبتون لا تشبه مجالات الأرض أو المشتري؛ فهي مائلة وغير مركزية، وهو لغز حير علماء الكواكب لسنوات. تشير النظريات الحالية إلى أن هذه المجالات المغناطيسية الغريبة تتولد عن طريق تدفق السوائل الموصلة للكهرباء في عباءات هذه الكواكب. وإذا كان الجليد في هذه العباءات سداسياً بدلاً من كونه مكعباً، فإن قدرته على توصيل الكهرباء وقوته الميكانيكية قد تكون مختلفة تماماً. قد يعني هذا أن الطبقات داخل هذه الكواكب مصنفة بطريقة لم نتخيلها بعد، حيث يشكل الجليد السداسي غلافاً متميزاً يؤثر على كيفية توليد المجال المغناطيسي. ويقترح الباحثون أن هذا الفهم الجديد لبنية الجليد يمكن أن يساعد في تحسين النماذج المستخدمة لوصف أعماق هذه العوالم البعيدة.

لا تدعي الدراسة أنها حلت كل أسرار العمالقة الجليدية، لكنها تقدم قطعة حاسمة من اللغز. فمن خلال تحديد طور جديد ومستقر من جليد الماء يوجد تحت ظروف تحاكي الأعماق الداخلية لأورانوس ونبتون، فتح الفريق فصلاً جديداً في فهمنا لفيزياء الكواكب. يسلط العمل الضوء على أنه حتى مادة مألوفة مثل الماء يمكن أن تتخذ أشكالاً غير متوقعة تماماً عندما تُدفع إلى حدود الطبيعة. وكما يشير الباحثون، هناك حاجة إلى المزيد من التجارب والعمل النظري لرسم حدود هذا الطور الجديد بالكامل وفهم كيفية سلوكه بالضبط تحت الظروف الديناميكية لكوكب حي. وفي الوقت الحالي، يقف هذا الاكتشاف كشهادة على قوة دفع المواد إلى نقطة انهيارها للكشف عن الأسرار الكامنة في الداخل.