Voda pod tlakem milionů atmosfér odhalila svou mimozemskou tvář

Foto: Iveta Mauci/Vytvořeno pomocí OpenAI

Vědci z Nevadské univerzity v Las Vegas zjistili, že i její atomová struktura se může proměnit způsobem, který odporuje běžným očekáváním. Jejich objev může pomoci odhalit, co se skrývá hluboko uvnitř vzdálených planet.

Voda tvoří na Zemi základ života. Její vlastnosti považujeme za důvěrně známé. Jenže ve chvíli, kdy se ocitne pod tlakem, který si dokážeme jen stěží představit, začíná psát úplně jiný příběh.

Když voda přestává dodržovat pravidla

Co se stane s vodou, když ji vystavíme podmínkám, které panují hluboko uvnitř planet, jako jsou Neptun nebo Uran? Odpověď není tak jednoduchá, jak by se mohlo zdát. Voda totiž za extrémního tlaku nemusí pouze měnit svůj objem nebo přecházet mezi známými skupenstvími. Může se zásadně proměnit také její vnitřní struktura.

Právě na tento překvapivý jev upozorňuje nový výzkum týmu vedeného fyzikem Ashkanem Salamatem z Nevadské univerzity v Las Vegas (UNLV). Studie publikovaná v odborném časopise Communications Chemistry přináší důkazy, že pevná voda vystavená tlaku přesahujícímu 222 gigapascalů může přejít do strukturálního uspořádání s nižší symetrií.

Jinými slovy: atomy, které tvoří vodu, se pod extrémním tlakem neuspořádají tak pravidelně a symetricky, jak by fyzici za běžných okolností očekávali.

Tlak, který si neumíme představit

Aby vědci zjistili, co se s vodou děje v podmínkách vzdálených světů, museli vytvořit prostředí, které se těmto extrémům alespoň částečně podobá.

V laboratoři proto stlačili vzorky vody mezi dva diamanty. Tento mimořádně tvrdý materiál umožňuje vyvíjet na nepatrný vzorek obrovský tlak. Následně využili rentgenové záření a spektroskopické metody, aby prozkoumali uspořádání atomů a odhalili změny ve struktuře materiálu.

Naměřený tlak odpovídal přibližně 241 gigapascalům. Pro srovnání: v pneumatice běžného automobilu bývá tlak přibližně 30 PSI.

Rozdíl je ohromující. Laboratorní experiment tak umožnil zkoumat vodu v podmínkách, které se vymykají každodenní zkušenosti a přibližují se prostředí uvnitř obřích planet.

Proč se voda chová jinak, než bychom čekali?

Když běžné materiály stlačujeme, jejich atomy se k sobě přibližují. Často přitom vznikají struktury, které jsou pravidelnější a vykazují vyšší symetrii. Voda však může tento očekávaný trend obrátit.

Při tlaku přesahujícím 222 gigapascalů vědci pozorovali známky snížení symetrie pevné struktury H₂O. Výsledek naznačuje, že ani zdánlivě jednoduchá molekula, tvořená dvěma atomy vodíku a jedním atomem kyslíku, nemusí v extrémních podmínkách následovat intuitivní fyzikální pravidla.

Nejde přitom o to, že by voda přestala být vodou. Mění se způsob, jakým jsou její atomy uspořádány, a s ním se mohou měnit i vlastnosti materiálu.

Právě takové proměny jsou pro fyziky důležité. Pomáhají pochopit, jak se látky chovají při tlacích a teplotách, které na Zemi běžně nezažíváme, ale ve vesmíru mohou být zcela přirozené.

Neptun a Uran: světy, kde voda může vypadat úplně jinak

Neptun a Uran patří mezi takzvané ledové obry. Jejich název může vyvolávat představu obrovských koulí zmrzlé vody, skutečnost je však mnohem složitější. Pod jejich atmosférami se nachází prostředí s vysokými teplotami a tlaky, v němž mohou být voda, amoniak a metan součástí exotických, na Zemi neznámých, stavů hmoty.

Přímý průzkum hlubokých vrstev těchto planet je mimořádně obtížný. Kosmické sondy, například Voyager 2, poskytly důležité informace o jejich vlastnostech, avšak do jejich niterných oblastí jsme se dosud nepodívali.

Vědci proto využívají laboratoř jako náhradní okno do těchto vzdálených světů. Vytvářejí extrémní podmínky, měří chování materiálů a výsledky porovnávají s poznatky o planetách získanými astronomickými pozorováními.

„Máme představu o jejich složení, vnitřním tlaku a teplotách. A v laboratořích můžeme napodobit chemii a experimentovat s tím, co by se mohlo dít uvnitř těchto planet,“ vysvětluje Salamat.

Laboratorní experiment samozřejmě není přímým důkazem, že se přesně stejná struktura vody nachází i uvnitř Neptunu nebo Uranu. Nabízí však důležitou stopu, podle níž lze zpřesňovat modely jejich vnitřního prostředí.

Mimozemská voda jako měňavec

Představme si vodu, která se pod tlakem promění natolik, že její vnitřní uspořádání bude výrazně odlišné od toho, co známe z pozemských podmínek. Jakmile by tlak opět poklesl, její struktura by se za vhodných podmínek mohla změnit zpět do stabilnějšího uspořádání.

Právě v tom spočívá jeden z nejzajímavějších aspektů výzkumu. Voda není neměnná látka s jedinou pevně danou podobou. Její chování závisí na prostředí, v němž se nachází, a extrémní tlak může otevřít cestu ke strukturám, které by na povrchu Země nebyly stabilní.

Takové poznatky mají význam nejen pro planetologii, ale také pro základní fyziku a chemii. Pomáhají vědcům lépe chápat hranice stability materiálů a předvídat, co se může dít s látkami v prostředích, která zatím známe především z teoretických modelů.

Foto: Josh Hawkins/UNLV/Tiskový zdroj EurekAlert

První kroky k pochopení vzdálených světů

Výzkum týmu z UNLV připomíná, že k poznávání vesmíru nemusíme vždy vysílat další sondu miliony kilometrů daleko. Někdy stačí nepatrný vzorek materiálu, dvojice diamantů a přesné měřicí přístroje, které dokážou odhalit změny na atomové úrovni.

Spolu s vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley a Argonne National Laboratory se tým snaží odpovídat na otázky, na které zatím nemáme přímé odpovědi: Jaké formy může hmota nabývat v nitru planet? Jak se tyto podmínky promítají do jejich vlastností? A co bychom skutečně spatřili, kdybychom se jednou dokázali dostat dostatečně hluboko pod jejich atmosféry?

„Až se konečně dostaneme k těmto světům, co uvidíme? Jsme vlastně prvními průkopníky, kteří se snaží tyto otázky zodpovědět v laboratoři,“ říká Salamat.

Voda, kterou na Zemi považujeme za samozřejmost, se tak stává klíčem k pochopení planetárních světů, které jsou od našeho domova vzdálené miliardy kilometrů. A čím lépe poznáváme její chování v extrémních podmínkách, tím jasněji vidíme, že i ta nejznámější látka může skrývat překvapení, která teprve čekají na své objevení.

Zdroj: EurekAlert; Univerzita Nevada v Las Vegas; Studie „Evidence for symmetry reduction in solid H₂O above 222 GPa“, publikovaná časopise Communications Chemistry. Výzkum vedl Ashkan Salamat z Nevadské univerzity v Las Vegas ve spolupráci s odborníky z Kalifornské univerzity v Berkeley a Argonne National Laboratory.

O autorovi článku