奇妙で暗く熱い氷が天王星と海王星の不安定な磁場を説明できるかもしれない

もし水道水を地球の中心と同じ圧力と温度（骨を砕き、肉を焼く温度）にさらしたら、液体でも固体でもない、奇妙で黒い氷に変わるでしょう。科学者はこの物質を超イオン氷と呼んでいますが、その特性はほとんどの科学者にとっていまだに謎に包まれています。

研究者らが研究室で超イオン氷を作り出すことに成功したのはつい最近のことだ。現在、ある科学者グループがその特性を解明した。その結果は、天王星と海王星の磁気の謎に答えを出すかもしれない。超イオン氷は、科学者らを長い間悩ませてきた、これらの惑星の奇妙で不均衡な磁場の原因である可能性があるのだ。

研究者らは10月14日にネイチャー・フィジックス誌に研究成果を発表した。

自然の氷のパレット

地球の大気中で水が凍ると、その分子は自然に六角形に並びます。そのため、極寒の気候に住んでいると、六角形の雪片が見られます。しかし、地球上では通常存在しない極端な条件で水を押し込むと、さまざまな奇妙な氷相を作り出すことができます。これらの氷は奇妙な形をしており、室温で存在できるものもあれば、実際にはそれよりはるかに高温で存在するものもあります。

科学者は創造的な名前をつけることに熱心で、氷のさまざまな相にローマ数字で名前を付けます。たとえば、冷たい飲み物に入っている氷は「氷 I」です。その氷を地球の大気圧の 10,000 倍の圧力で圧縮すると、分子が直方体を形成する氷 VI に変わる可能性があります。さらに圧力をかけると、分子が立方体になる氷 VII に変わる可能性があります。

他にも、電界で電荷が反転する氷 XI や、他の氷の「檻」の中に閉じ込められた氷 XVI などの氷もあります。そして、カート・ヴォネガットの「猫のゆりかご」を読んだことがあるなら、まったく無害ではありますが、「氷 IX」があることをご存知でしょう。

このような奇妙な氷は、全体像から見ればそれほど奇妙ではないかもしれない。特に氷 VII は、海洋世界の異星の海の下や木星の衛星エウロパの奥深くに存在すると考えられている。より地球に近いところでは、科学者たちは氷 VII が地球のマントルで形成されたダイヤモンドの中に閉じ込められていることを発見した。そこの圧力によって、このような氷が存在する可能性がある。

氷の殿堂に最近加わったのが超イオン氷です。ここでは、液体の水と固体の氷の境界が崩れ始めます。水分子の酸素原子は、固体の場合と同じように、一列に並びます。しかし、水素原子は電子を手放して電荷を帯びたイオンになり、液体の場合と同じように、氷の中を飛び回り始めます。

それは確かに奇妙な種類の氷です。まず、暗い色に変わります。そして、室温の純水とは異なり、自由に回転する陽子により、超イオン氷は優れた電気伝導体になります。

ダイヤモンドとX線で氷を作る

科学者たちは、1980年代後半から超イオン氷の存在を理論化してきた。「その時から、私たちはそうした実験をしようと考えていました」と、ワシントンDCのカーネギー研究所の物理学者で、論文の著者の一人であるアレクサンダー・ゴンチャロフ氏は言う。

しかし、科学者が研究室でこの物質を扱えるようになったのはごく最近のことだ。研究者の中には、少量の水を高圧衝撃波で吹き飛ばすことで超イオン氷を作った人もいる。2018年には電気伝導率を測定し、2019年には超イオン氷の特徴である酸素原子の構造を正確に突き止めた。彼らはこれを「氷 XVIII」と名付けた。

しかし衝撃波はそれほど長くは続かない。研究者の一人であり、カリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所の物理学者セバスチャン・ハメル氏によると、実験全体は数ナノ秒しか続かないという。

しかし、同じ頃、別の研究グループが別の方法で独自の超イオン氷を作っていました。彼らは衝撃波の中で氷を見つけるのではなく、より静的な環境で実際に氷を作り、研究したいと考えていました。

「構造を特定できる」とシカゴ大学の物理学者で論文の共著者の一人であるヴィタリ・プラカペンカ氏は言う。「光学特性を測定できる」

しかし、そこに到達するのは退屈で困難なプロセスである。地球の中心部の信じられないほどの温度と圧力が関係しているからである。その温度と圧力は太陽の表面よりも高温で、地球の大気圧の 350 万倍である。

そのために、科学者たちは 0.2 カラットのダイヤモンドの金床の中に氷を押し込んだ。ダイヤモンドは地球上で知られている中で最も硬い物質なので、氷を異常な圧力に押し上げるにはうってつけだ。その後、レーザーを照射してサンプルを恒星のような温度まで加熱することができた。

氷を実際に調べるため、科学者たちは金床とサンプルをシカゴ郊外のアルゴンヌ国立研究所に持ち込み、非常に明るいX線を発生できる装置であるシンクロトロンを使用した。X線は氷を通過すると散乱し、科学者たちはそれを測定して氷の特性を再構築できる。

さらに複雑なことに、X線がダイヤモンドを通過すると屈折します。これは、水を通して物を見たときに歪んで見えるのとよく似ています。これを修正する必要がありました。

「非常に困難ですが、私たちはそれを実行しています」とプラカペンカ氏は言う。

彼らの実験はナノ秒単位ではなくマイクロ秒単位であり、測定に何桁も長い時間をかけられる。「彼らはこのシステムを、我々よりも広範囲かつ詳細に調査することができた」と、この論文には関わっていないハメル氏は言う。しかし、レーザー加熱によって生じる温度勾配によって、かなりの不確実性が生じると同氏は言う。

それにもかかわらず、研究者たちは氷 XVIII の発見に加えて、2 番目の種類の超イオン氷も発見し、これを「氷 XX」と名付けました (氷 XIX は、このすべての最中に偶然発見され、命名された非超イオン相です)。さらに、研究者たちは超イオン氷の構造と電気伝導率を測定することができました。

天王星へのリンク

研究者たちは、ダイヤモンドの金床で遊ぶためだけに超イオ​​ン氷を作っているのではありません。氷 VII がエウロパで見つかる可能性があるのと同じように、超イオン氷は太陽系の外縁部にも存在する可能性があります。

多くの点で、天王星と海王星は非常に似ています。大きさも近いです。どちらも「氷の巨星」で、大気は水素、ヘリウム、メタンで満たされています。

そして、それらの磁場は両方とも本当に奇妙です。

地球の磁場は、おおむね惑星の自転と一直線になっています。地球の物理的な極は、地球の磁極からそれほど離れていません。しかし、この 2 つの惑星の磁場は、かなり傾いています。さらに、磁極は一直線上になく、惑星の中心を通る線ではなく、惑星の側面に不自然に切り込まれています。

現在、氷の科学者たちは、巨大惑星のガスの覆いの奥深くに埋もれた超イオン氷の層という説明に焦点を絞っている。超イオン氷は導電性があるため、磁場を操ることができると科学者たちは考えている。研究者の言うことが正しければ、地球上で目にするものをはるかに超える巨大な超イオン氷の層が、各惑星の磁場を中心から大きくずらす可能性がある。

結局のところ、推測はすべてシミュレーションとモデリングに頼らざるを得ない。「惑星科学では、大規模な探偵ゲームが展開されます」とハメル氏は言う。「惑星を切り開いてその形成過程を見ることができるわけではありません。」

しかしプラカペンカ氏は、同氏のグループの最新の実験は、超イオン氷がそこに存在するという証拠を追加したと述べている。「膨大な量の氷が存在するはずだと推定しています」と同氏は言う。「そして惑星深部の状況では、温度と圧力は超イオン氷が発見された場所とまったく同じです。」