Superdense buitenaards ijs gevormd in een (laser) flits

In een nieuw experiment hebben onderzoekers een supergedse versie van ijs gemaakt die diep in ijzige manen en botsende kometen wordt gevonden en die deze in nanoseconden hebben gadegeslagen.

De wetenschappers creëerden het ijs door gewoon water bloot te stellen aan een plotselinge, intense, door een laser gegenereerde schokgolf, en zij observeerden de vorming van de superdensefase van ijs, ijs VII genaamd, met behulp van snelle röntgenpulsen om de bijna onmiddellijke faseverandering te documenteren . De transformatie vond plaats in de Linac Coherent Light Source van SLAC National Accelerator Laboratory - 's werelds krachtigste röntgenlaser.

"We zijn erg enthousiast over dit werk, omdat het het eerste diffractiebewijs is, of structureel bewijs, van het zien van vloeibaar watertransformatie in realtime, in situ, in een hogedrukkristallijne fase," Arianna Gleason, hoofdauteur van het nieuwe werk , vertelde ProfoundSpace.org. "De implicaties voor dit werk in de planetaire wetenschappelijke context en geowetenschappelijke context, voor ijzige satellieten of ijzige grote planetaire lichamen - zeg, de ijsreuzen zelfs in ons eigen zonnestelsel - is echt opwindend." Gleason is een onderzoeker aan het Los Alamos National Laboratory en een gastwetenschapper aan de Stanford University in Californië, waar het SLAC National Accelerator Laboratory is gevestigd. [Rosetta ziet tekenen van waterijs op oppervlak van komeet (foto's)]

Watermoleculen in hun vele vormen worden overal in het zonnestelsel gevonden; ze gutsen vanuit ondergrondse oceanen op de maan van Saturnus Enceladus en Jupiter's maan Europa, vormen de lichamen van ijzige komeetbezoekers van de verre Kuipergordel en verschijnen in sporen in vele sferen.

Op aarde zijn mensen bekend met de manier waarop waterdamp kan veranderen in vloeibaar water en vloeibaar water naar ijs, terwijl de temperatuur daalt of de druk toeneemt (en het omgekeerd kan gaan van ijs naar water naar damp). Onder bepaalde omstandigheden kan ijs zelfs rechtstreeks in waterdamp veranderen - een proces dat sublimatie wordt genoemd. Maar dat zijn verre van de enige vormen die water kan aannemen; door naar buitenaardse uitersten van temperatuur en druk te gaan, kunnen watermoleculen in verschillende kristallijne vormen glijden.

Gewoon ijs vormt hexagonale kristallen, maar de vorm van ijs die de onderzoekers hebben onderzocht, ijs VII, heeft een kubische structuur. Deze vorm van ijs is moeilijk te maken en te behouden in het laboratorium en tot nu toe was het onmogelijk om de formatie ervan te meten. Onderzoekers theoretiseren echter dat het zich kort vormt wanneer kometen of ijzige manen botsen, waardoor de manier waarop kraters worden gevormd, wordt beïnvloed.

Om die botsomgeving opnieuw te creëren, plaatste de groep van Gleason een klein, pen-tip-formaat pakket van vloeibaar water in een kleine cel van 2 bij 2 millimeter (0,08 bij 0,08 inch). Ze schenen een krachtige groene laser op een stuk diamant aan de rand van de cel en verdampten de rand "bijna onmiddellijk" in plasma. Die kracht stuurde schokgolven die in de andere richting schoten en door het water liepen.

"Het is echt als een klein raketeffect," zei Gleason. "We ontdekten dat we de vloeistof in een vaste stof kunnen transformeren door de schokgolf gewoon door te duwen. En gedurende die kleine, korte tijd - het is echt maar een paar nanoseconden, dat is een miljardste van een seconde - we tasten met deze ultrasnelle beelden en briljante röntgenpulsen. "

Hoewel dit type schokcompressieproces eerder is uitgevoerd, is het documenteren van hoe de watermoleculen opnieuw zijn gerangschikt alleen mogelijk met de Linac X-ray laser, aldus Gleason. Net als een flip-book bieden de röntgenfoto's een ontroerend beeld van hoe het ijs is gevormd.

"Botsingen en botsingen tussen grote lichamen [in de ruimte] - dat dynamische proces is erg moeilijk te modelleren," zei Gleason. "En dus met een dergelijk schokcompressie-experiment, waar we in real-time kunnen zien hoe de materialen van de ene naar de andere vorm transformeren, is het echt spannend en biedt het nieuwe beperkingen voor de vorming van deze lichamen." [Waterijs in Moon's Shackleton Crater geïdentificeerd]

Ruimtebotsing op aarde

Sarah Stewart, een onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Davis, die niet betrokken was bij het nieuwe werk, bestudeert hoe reusachtige inslagen de kraters vormden die te vinden zijn op zonnestelsellichamen. Voor haar afstudeerwerk vormde ze ook fasen van ijs zoals ijs VII in het laboratorium. De enige manier waarop Stewart kon bevestigen dat ze een bepaald ijs had gemaakt, was het meten van de dichtheid, zei ze. Met het nieuwe werk kunnen onderzoekers de structuur van het ijs volgen tijdens het vormen.

"Wat geweldig is aan Arianna's werk, is dat ze in het lab een klein stukje kan reproduceren van wat de natuur miljoenen keren heeft gedaan in het zonnestelsel, en ons laat weten wat er mogelijk is in termen van deze faseveranderingen," vertelde Stewart aan ProfoundSpace.org. "De natuur maakt schokgolven, net als deze laboratoriumexperimenten, door impactkratten, en we hebben deze ijzige oppervlakken overal in het zonnestelsel met inslagkraters erop."

Weten hoe ijs VII zich vormt tijdens botsingen met komeet en maan is cruciaal voor het begrip van wetenschappers van hoe kraters zich vormen. In het werk van Stewart vroeg ze zich af of het snel vormde, wat zou leiden tot een kraterstructuur die leek op wat in de werkelijkheid wordt gezien, of langzaam - wat een andere verklaring voor de vorm van de krater zou kunnen eisen. Dit werk bevestigt dat ijs VII zich extreem snel kan vormen.

Maar verder zeiden zowel Gleason als Stewart dat ze uitkijken naar onderzoekers die deze techniek toepassen op een reeks materialen, om te leren hoe ze van vorm veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan plotselinge schokken. Dat zou wetenschappers helpen niet alleen vast te stellen wat er gaande is in een tumultueus zonnestelsel, maar ook veel meer leren over hoe materialen in het algemeen van fase veranderen - een cruciale vraag voor natuurkundigen en chemici.

"Kijkend naar de fundamentele materialen die overal in het zonnestelsel zijn om te begrijpen wat er gebeurt onder dynamische druk - als materiaalwetenschapper eet je dit op," zei Stewart. Met dit experiment: "Ik weet wat de structuur is, ik kan je laten zien hoe lang het duurt om daar te komen." Het is absoluut overtuigend, er is geen handbeweging. "Het heeft deze geweldige nieuwe faciliteit gekost om dat te kunnen doen."

Het nieuwe werk werd vandaag gedetailleerd (11 juli) in het tijdschrift Physical Review Letters.