Evrendeki En Bol Su Formu Süperiyonik Sıcak Buz

Bilim insanları lazer ışınlarıyla yüksek basınç uygulayarak süperiyonik siyah sıcak buz üretti. Neptün ve Uranüs gibi buz devi dünyalar aslında büyük ölçüde egzotik siyah buzdan oluşuyor. Öyle ki 100 bin atmosfer basınç altında sıkışan süperiyonik siyah buz, iç kesimlerde görülen binlerce derecelik sıcaklığa rağmen katı halini koruyor. Peki sıcak buz neden evrendeki en bol su formu?

Sıcak buz nasıl keşfedildi?

Gezegen bilimciler bilgisayar simülasyonları kullanarak Neptün gezegeninin çekirdek basıncını 100 bin atmosfer olarak hesapladılar. Bu da 10 gigapascal, yani Dünya deniz seviyesinden 100 bin kat yüksek basınç demek ve süperiyonik siyah sıcak buz da 100 bin atmosfer basınçta oluşuyor.

Oysa Uranüs ve Neptün gezegenlerinin içyapısını Dünya’daki teleskoplardan bakarak göremeyiz. Bizden sırasıyla 2,8 ve 4,3 milyar km uzakta olan Uranüs ve Neptün’e gidip çekirdeğine uzanan birer sondaj kuyusu açmamız da imkansız.

Bilgisayar simülasyonları ise bize sadece genel bir fikir verebilir. Dolayısıyla bu gezegenlerin içyapısını ve hangi katmanlardan oluştuğunu anlamanın en iyi yolu, laboratuarda 1 mikrosaniye için bile olsa 100 bin atmosfer basınç üretmektir. Tabii laboratuardaki basit bir presle bu basınca ulaşamayız.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Öyleyse sıcak buz nasıl üretilir?

Laboratuarda süperiyonik siyah sıcak buz üretmek için elmas çekiçler ve lazer ışınları kullanıyoruz. Elimizdeki en sert materyal olan elmastan yapılan özel çekiçler, her biri birkaç yüz su molekülü içeren mikro su damlalarını yüksek basınçla sıkıştırıyor.

Lazer ışınları ise aşağıda anlatacağım yüksek ısı ve foton basıncıyla su damlalarını daha da sıkıştırıyor. Böylece saniyenin binde birinde, Neptün çekirdek basıncı olan 10 gigapascala yaklaşan aşırı basınç üretmemizi sağlıyor. İşte o zaman normal su süperiyonik siyah sıcak buza dönüşüyor!

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Foton basıncı nedir?

Işık foton parçacıklarından oluşuyor. Peki kütlesiz fotonlar nasıl olur da su damlalarına kinetik enerji ve dolayısıyla suyu sıkıştıracak yüksek basınç uygulayabilir? Fotonların kütlesi yok ama momentumu var: Fotonlar sahip olduğu momentumun yarısını çarptığı cisimlere, atomlara ve parçacıklara aktarabiliyor (hatta güneş yelkeni bu prensiple çalışıyor).

Elimizde bir kuantum kütleçekim kuramı olmadığı için momentum transferinin nasıl yapıldığını bilmiyoruz; ama bu sayede cisimleri lazer ışınlarıyla yüksek basınçta sıkıştırabiliyoruz. Lawrence Livermore laboratuarı fizikçileri de su moleküllerine lazer basıncı uygulayarak süperiyonik sıcak buz ürettiler.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

X-ışınlarıyla sıcak buz üretimi

Aslında su moleküllerini standart lazer ışınıyla 100 bin atmosfer basınç altında sıkıştırmak mümkün değil. Ancak, su moleküllerini odaklanmış yüksek frekanslı ışıktan oluşan lazer ışınlarıyla bombalayarak bunu yapabiliriz.

Yazımıza konu olan deneyde lazerlerin yol açtığı X-ışınları, mikro su damlalarını tek yönde aniden ısıttı. Bu da su damlalarının içinde, ısınan suyun ısınma yönünün tersine genleştiği şiddetli bir şok dalgası yarattı. Şok dalgası öndeki su moleküllerine çarparak sıkıştırdı ve böylece lazerle dolaylı yoldan aşırı yüksek basınç üretmiş olduk. Peki bu ne işe yaradı derseniz:

Neptün’ü portakal gibi ikiye bölüp içine bakamayız; ama çekirdek basıncını laboratuarda üreterek içyapısını öngörebiliriz. Mesela bu deneyle süperiyonik siyah sıcak buzun ne kadar yüksek basınçta ortaya çıktığını anladık. Bundan yola çıkarak da kaç km derinde oluştuğunu ortaya çıkardık.

Bütün bu bilgileri Neptün’ün kütlesi, derinliğe göre değişen basıncı/sıcaklığı, özgül ağırlığı, yoğunluğu ve derişimiyle birleştirdik. Böylece gezegenin içinin hangi katmanlardan oluştuğunu ve bunların kalınlığını hesapladık. Sonuçta Uranüs ve Neptün gibi dışarıdan bakınca gaz topu gibi görünen, ama aslında buz devi olan gezegenlerin “ne”den oluştuğunu öğrendik.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Ancak dahası var!

En iyi deneylerimiz bile su moleküllerinin 100 bin atmosfer basınç altında nasıl davrandığını görmemize yetmezdi. 1) Elimizdeki detektörler, sadece 1 mikrosaniye için binlerce derece sıcaklık ve 100 bin atmosfer basınca maruz kalan su moleküllerinin ne tür hareketler yaptığını net göremez.

2) Ayrıca Kuantum kütleçekim kuramına sahip olmadığımız için su moleküllerin bu şartlarda nasıl davranacağını teorik olarak öngöremeyiz. Öyleyse ne yapacağız? Livermoore Laboratuarı fizikçilerinin yaptığını tabii! Simülasyonlarla deneyleri yapay zeka yardımıyla birleştireceğiz:

Evet, bilim insanları kuantum fiziğini bizden iyi ve hızlı inceleyerek sıcak buzun nasıl oluştuğunu anlaması için yapay zekadan yararlandılar. Kuantum fiziği öğrenen algoritmalar da deney sonuçlarını simülasyonlarla karşılaştırarak sıcak buzun nasıl oluştuğunu tespit etti. Uranüs ve Neptün’ün içyapısını işte böyle anladık.

İlgili yazı: İnsanlığın Sonunu Getirecek En Tehlikeli 5 Teknoloji

 

Süperiyonik siyah sıcak buz nedir?

Sıcak buzu nasıl ürettiğimizi gördük fakat sıcak buzun nasıl oluştuğunu şimdi göreceğiz. Bunun için de temel bilgilerden başlayalım:  Bir maddenin maruz kaldığı basıncı artırırsanız onu aynı zamanda ısıtmış olursunuz. Sonuçta enerjinin tamamını yararlı işe dönüştüremeyiz ve maddeyi sıkıştırmak için kullandığımız enerjinin bir kısmı da kontrolden çıkıp onu ısıtmaya harcanır.

Nitekim Dünya’da ne kadar derine inerseniz sıcaklık ve hava basıncı o kadar artıyor. Gerçi bunun asıl nedeni havayı yukarıdan sıkıştıran kaya katmanları değil, hava moleküllerinin yerçekiminin etkisiyle dibe çökmesi; yani yer üstündeki havanın derin madenlere sızarken içerideki havayı sıkıştırmasıdır.

Sıcaklık artışı ise hem havanın sıkışması, hem de Dünya’nın sıcak iç kesimlerinin havayı ısıtmasından kaynaklanıyor. Hava sıcaklığı sadece öz sıkışma ile her 1 km’de 9,66 derece artırıyor. Kaya tabakaları da kendi ağırlığıyla eziliyor. Bu süreçte Dünya’nın 6371 km derindeki merkezinde basınç o kadar artıyor ki sıcaklık yaklaşık 6000 derece ile Güneş’in yüzey sıcaklığını aşıyor!

İlgili yazı: Büyük Patlama Öncesinde Ne Vardı?

 

Lazerle öğrendiklerimiz

Lazerli yüksek basınç deneylerinde suyun süper sıcak bir sıvıya veya süper sıcak gaza dönüşmek yerine, siyah süperiyonik buza dönüştüğünü gördük. Öyle ki aşırı ısınan su moleküllerinin çevresinde dönen dış elektronlar atomlardan koptu ve ortamda serbestçe yüzmeye başladı.

Böylece süperiyonik su dediğimiz şey ortaya çıktı. Oksijen ve hidrojen atomlarını bağlayarak su molekülleri oluşturan elektronlar ise kopmadan kaldı. Böylelikle fizikçiler süperiyonik sıcak siyah buz üretmiş oldular.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Uranüs ve Neptün’ün iç yapısı

Sıcak buzun nasıl oluştuğuna geçmeden önce, artan sıcaklık ve basıncın gezegenlerin içyapısını nasıl farklılaştırdığına kısaca bakarak son deneyler ışığında Neptün ve Uranüs’ün içyapısını görelim: Bu dünyaların dışı kalın ve soğuk bir atmosferle sarılıdır.

Nitekim uzaydan bakınca Jüpiter gibi gaz devlerine benziyorlar. Ancak, gaz devleriyle olan benzerlik burada bitiyor. Jüpiter benzeri öte gezegenler kayalık çekirdeği hariç tümüyle gazdan ve büyük ölçüde hidrojenden oluşuyor. Hidrojen gazı alt katmanlarda yüksek basınç altında sıkışarak metalik sıvı hidrojene dönüşüyor.

Uranüs ve Neptün’ün kalın atmosferinin altında ise amonyak gibi karmaşık moleküllerden oluşan süper sıcak, sisli ve buharlı bir gaz katmanı var. Atmosferden daha kalın olan bu katmanın altında, sıcak iyonize su tabakası ve onun altında süperiyonik siyah sıcak buz katmanı bulunuyor.

İlgili yazı: Floresan Hayvanlar Neden ve Nasıl Işık Saçıyor?

 

Şimdi sürprize hazır olun

Uranüs ve Neptün’ün kütlesinin en büyük kısmını kalın sıcak buz katmanı oluşturuyor. Dahası istatistiksel olarak Uranüs ve Neptün gibi buz devleri evrende çok yaygındır…

Belki de diğer egzotik buz çeşitlerini barındıran ve en az 100 km derinlikle global okyanusla kaplı olan; yani hiç kara parçası bulunmayan su dünyalarından bile yaygın olabilirler. Bu doğruysa evrendeki en bol su formu süper iyonik siyah sıcak buzdur.

Sıcak buz neden erimiyor?

Uranüs ve Neptün’ün merkezindeki basınç o kadar yüksek ki su istese de buharlaşamıyor; çünkü genleşeceği boş yer yok. Bunun yerine aşırı sıcak olan ve hızla titreşen; ama kristalize bir yapı oluşturarak katı kalan siyah sıcak buz tabakası oluşturuyor.

İlgili yazı: Uzay Yolcuları Filmi Ne Kadar Gerçekçi?

Sıcak buz simülasyonu

 

Geldik sıcak buz cevabına

Suyun en bol hali olan süperiyonik buz siyah ve sıcak bir madde. Öyle ki bir küp egzotik sıcak buz normal buzdan 4 kat ağırdır. Teorik fizikçiler tarafından 30 yıl önce öngörülen sıcak buz, ilk kez Lawrence Livermoore laboratuarında üretildi. Ancak, aslında biz 18 egzotik buz çeşidi keşfettik.

Bilim insanları bugüne dek Buz Ih ve Ic’den başlayarak sadece gezegenler, su dünyaları ve buzlu ayların içindeki yüksek basınç altında oluşan tam 18 ayrı egzotik sıcak buz türü keşfettiler.

Süperiyonik siyah sıcak buz da en son keşfedilen ve diğerlerinin içinde en yüksek basınçta oluşan en egzotik buz çeşidi olup aynı zamanda kısmen parçalanmış su moleküllerinden oluşur! Kuantum kimyada bunlara erimiş zincir moleküller diyoruz. Ancak, siz günlük dilde aynı anda hem sıvı hem katı olan egzotik madde halleri de diyebilirsiniz. Peki hem sıvı, hem katı olmak ne demek?

İlgili yazı: 14 Yaşında Kendini Donduran Kız

 

Parçalanmış su molekülleri demek

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam su molekülleri parçalanırsa ortada su kalmaz. Bu durumda siyah sıcak buz nasıl oluşur?” Suyun kristale dönüşmesiyle ve suyun var olabileceği en yüksek basınçta oluşuyor. 100 bin atmosfer o kadar yüksek basınç ki su molekülleri sıkışarak kısmen parçalanıyor:

Ağır oksijen atomları katı kristal yapılar oluştururken, süper hafif hidrojen atomları serbestçe yüzüyor. Daha doğrusu oksijen atomlarından koparak serbestçe yüzmeye çalışıyor; ama bunu da yapmıyor. Nasıl ki su molekülleri kafes bileşikler oluşturarak buzlu tundra toprağında metan gazını içine hapsediyor, bu kez de oksijen atomları kafes yapılar oluşturarak hidrojen atomlarını hapsediyor.

Sonuçta yarı sıvı ve yarı katı olan süperiyonik sıcak buz oluşuyor. Yüksek basınç altında katı olan bu en egzotik buz türü, yine de parçalanmış su moleküllerinden oluştuğu için su gibi saydam değil de, petrol gibi siyah oluyor; çünkü ışığı farklı şekilde geçiriyor.

Gerçi gezegenlerin ışık görmeyen karanlık derinliklerinde oluştuğu için buzun siyah olması pratik olmaktan ziyade akademik bir konu; ama teoriden uzaklaşarak biraz da pratik yapalım:

Sıcak su ne işe yarayacak?

Uçan otomobiller için süper verimli metalik hidrojen ve ultra soğuk süper sıvılar başlıklı yazılarda anlattığım gibi, yüksek basınçta oluşan süperiletken özellikli süper akışkan materyaller, geleceğin kuantum bilgisayarları ve nükleer füzyon reaktörlerini geliştirmekte bize yardımcı olacak. Akışkanlar mekaniği ve ısı yönetimini iyileştirmeyi sağlayarak endüstri 5.0 makineleri ile yeni robotlar tasarlamamızı kolaylaştıracak.

İlgili yazı: Güneş Sisteminde Hayata Uygun 8 Okyanus Dünyası Var

 

Neptün’ün oynak manyetik alanı

Bilim insanları süperiyonik siyah sıcak buz ile Uranüs ve Neptün’ün manyetik alanının neden oynak olduğunu, Dünya gezegeninin tersine, manyetik kutupların neden sürekli yer değiştirdiğini buldular. Sonuçta sıcak buz kısmen parçalanmış su moleküllerinden oluştuğu için aynı zamanda hem sıvı, hem katıdır.

Siz de bunu ıslak banyo süngerine benzetebilirsiniz. Ancak süngerin de sudan oluştuğunu düşünün. 🙂 Oksijen atomlarının buzun katı kısmını oluşturduğuna ve oksijen atomu kafesleri içinde serbestçe hareket eden hidrojen atomlarının da sıcak buzu, kısmen eriyen sıradan buz gibi kayganlaştırdığına dikkat edin.

Kısacası sıcak buz kütlesi, gezegenlerin çekirdeğinin çevresinde sürekli oynayarak yer değiştiriyor. Bu da ürettiği manyetik alanın kuzey ve güney kutbunun sürekli yer değiştirmesine yol açıyor. Peki sıcak buz nasıl manyetik alan üretiyor? Nitekim gezegenimizin manyetik alanını açıklamak kolay, ama Neptün’ün manyetik alanını açıklamak zor:

Dünya’nın demir-nikel katı iç çekirdeği Dünya ile aynı yönde, ama gezegenimizden biraz hızlı dönüyor. Öte yandan erimiş demir-nikel dış çekirdek, Dünya’ya ters yönde ve gezegenden biraz daha yavaş dönüyor. Sonuçta bu çekirdekler birbirine sürterek dönen iki metal küredir ve dinamo etkisiyle manyetik alan üretir. Peki Neptün’ün süperiyonik sıcak buz dış çekirdeği nasıl manyetik alan üretiyor?

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

 

Cevabı sıcak buz tanımında

Öncelikle süperiyonik terimi aklınızda kalsın; ama Neptün manyetik alanını açıklamak için süperiletkenlerden başlayalım: Süperiletken malzemeler elektriği hiç direnç göstermeden iletir.

Bunun sebebi, elektronların süperlikten malzemeyi oluşturan atomların arasında serbestçe geçiş yapması, yani atomdan atoma kolayca sıçramasıdır. Şimdi, Neptün’ün dış çekirdeğini oluşturan sıcak buzun da binlerce derece sıcaklıkta olduğunu hatırlayın. Peki 6000 derece sıcaklıkta ne oluyor?

Nötr atomları saran dış elektronlar enerji kazanarak atomlardan kopuyor ve gaz atomlarının çevresinde serbestçe dönen dağınık bir elektron bulutu oluşturuyor. Nötr atomların elektrik yükü sıfırdır; çünkü atom çekirdeklerindeki pozitif yüklü protonlar ile yörüngedeki negatif yüklü elektronlar birbirini sıfırlar.

Plazma durumundaki sıcak gazda ise ya atom çekirdekleri çıplaktır ya da dış elektronlarını kaybetmiştir. Bu nedenle çekirdeklerin net pozitif yükü vardır. Siz de bu durumdaki çekirdeklerin ve serbest yüzen elektronların plazmayı süperiletken yaptığını düşünebilirsiniz ki plazma gerçekten de iyi bir iletkendir.

Oysa süperiletken değildir

Sonuç olarak gazlar ısındıkça genleşir ve plazma halindeki gaz da çok sıcaktır. Dolayısıyla plazma o kadar seyrektir ki elektronların atomdan atoma sıçraması zorlaşır (sıçrayamayacağınız kadar geniş bir yarık düşünün). Bu nedenle plazmanın iletkenliği azalır ve asla süperiletken olamaz.

İlgili yazı: Bir Gezegenin Doğuşu

 

Sıcak buz ise süperiletkendir

Dünya’da manyetik alan üreten dinamo etkisinin bir kaynağı da dış çekirdeğin iç çekirdeğe sürtünmesidir. Sürtünme Dünya’nın iç sıcaklığını artırıyor ve çekirdeğin soğumasını zorlaştırıyor. Sürtünme, iç çekirdekten daha düşük basınca maruz kalan dış çekirdeği de ısıtarak eritiyor. Sıvı dış çekirdek tıpkı kendini yağlayan hareketli bir parça gibi iç çekirdeğin çevresinde kolayca dönüyor.

Özetle sürtünmeye bağlı statik elektrik üretimi ve yüksek sıcaklık birleşerek Dünya’nın güçlü bir manyetik alan üretmesini sağlıyor.

Neptün’ün dış çekirdeği ise su buzundan oluşuyor. Üstelik egzotik sıcak buzdan oluşan bu çekirdek, Dünya’nın metalik dış çekirdeğinden daha kaygan; ama aynı zamanda daha büyük ve ağırdır. Peki bu ne anlama geliyor?

Açıkçası Neptün’ün kayalık çekirdeğinin çevresinde aşırı kaygan olduğu halde daha yavaş dönmeli. Çok kaygan olduğu için de sürtünme etkisi, sıcak buz küresinin iç yüzey alanının büyük olmasına rağmen azalmalı. Ayrıca, su sıcağı demir kadar iyi iletmediği için sıcak buzun homojen sıcaklığa erişmesi de zorlaşmalı. Doğrusu bütün bu özellikler Neptün’ün manyetik alan üretmesini zorlaştırıyor.

Oysa güçlü manyetik alan üretiyor

Neptün’ün manyetik alanı Jüpiter kadar güçlü değil. Yine de beklediğimizden daha güçlü. Peki sıcak buz bu kadar güçlü manyetik alanı nasıl üretiyor? Artık manyetik alanlar, gezegen çekirdekleri ve süperiletkenler hakkında yeterli bilgiye sahip olduğumuza göre bu soruyu tümüyle cevaplayabiliriz.

İlgili yazı: Türkler Jüpiter Benzeri Öte Gezegen Keşfetti

 

Çok garipsin sıcak buz

1) Sıcak buz plazma gibi iyonize olacak kadar sıcaktır. Elektriği kolay iletir ki sıvıların sadece aşırı yüksek basınç altında iyonize olmasına “metalleşme diyoruz”. Süperiyonik sıcak buz da aslında metalik su buzudur.

2) Salt yüksek basınç su buzunun süperiletken olmasına yetmez; ama siyah sıcak buz, oksijen atomu kafeslerinin arasında kendi elektron bulutlarıyla akan hidrojen atomları içeriyor. Süperiyonik siyah sıcak buzun hem katı hem sıvı olması, süperiletken olmasını da sağlıyor.

Toparlayacak olursak Neptün’ün dev kayalık çekirdeğinin çevresinde dönen dev sıvı dış çekirdeği, süperiyonik metalik özellikleri sayesinde süperiletkenlik kazanıyor. Böylece ve su buzunun manyetik alan üretmekteki tüm dezavantajlarına rağmen, Neptün’ün güçlü manyetik alanını kısmen üretiyor.

Tabii Dünya’ya göre çok acayip bir manyetik alan bu: Meme yapmış patlak futbol topu gibi yumru yumru bir küreye benziyor. Sadece birden çok kuzey ve güney manyetik kutbu içeriyor ve bunlar Neptün’ün içinde sürekli yer değiştiriyor! Öyle ki Neptün’de olsanız pusuluyla yolunuzu bulamazdınız. 😉

İlgili yazı: Kendi gezegenlerini yutan yamyam yıldızlar

 

Manyetik alanın ikinci kaynağı

Bütün bu anlattıklarımdan sonra, Neptün’ün manyetik alanının bütün gizemlerini çözdüğümüz sanıyorsanız yanılıyorsunuz. 😀 Güneş Sistemi’nin en uzak gezegeni olan Neptün’ün (Plüton gezegen değil) bize hazırladığı iki sürpriz daha var ve ilkini hemen görelim:

Süperiyonik siyah sıcak buz, yukarıda sayılan bütün mucizevi özelliklerine rağmen, Neptün’ün güçlü manyetik alanını tek başına üretemez; çünkü büyük ölçüde katı olduğu için yeterince akışkan ve hareketli değildir. Bu nedenle yarattığı dinamo etkisi süperiletkenliğine rağmen sınırlıdır.

Nitekim Neptün’ün manyetik alanının büyük kısmını, sıcak buzun üzerinde yer alan ve yine süper sıcak olan iyonize sıvı su katmanı üretiyor. Nasıl derseniz: Hem diğer bir egzotik buz türü olan Buz VII’den, hem de siyah sıcak buz XVIII’i nasıl keşfettiğimizden söz edelim. ->

İlgili yazı: Dünya’dan 2 Kat Büyük Elmas Gezegenler

 

Mümkün olan son buz

Süper basınçlı Buz VII iyonize olduğu için metalik özellik kazanarak elektriği iletiyor. Buna karşın 4700 derecede eriyor ki Neptün gibi buz devleri ile Ganymede gibi buzlu uydular, işte bu yüzden çok sayıda sıvı su ve buz katmanına, yani gofret gibi çok katlı bir yapıya sahip oluyor:

Önce yeraltı suyu yüksek basınçta ısınmasına rağmen buharlaşmadan sıvı kalıyor. Sonra basınç artırıyor ve Buz VII gibi katılaşıyor. Ardından sıcaklık ve basınç sırasıyla daha çok artıyor. Buz VII eriyor ve yüksek basınçlı yeni bir sıcak su katmanı oluşuyor. Ancak, basınç daha da artınca su bir kez daha katılaşıp Buz VIII’e dönüşüyor. Böylece sürüp gidiyor.

Kısacası basınçla sıcaklık arasında bir halat çekme yarışı yapılıyor. Bazen basınç ve bazen sıcaklık galip geliyor. Fizikçiler ise su buzunun oluşabileceği en yüksek basıncı bulmak istediler. Öyle ki bu buz oluştuktan sonra, daha yüksek sıcaklıkta tekrar sıvılaşmayacak ve daha yüksek basınçta tekrar katılaşmayacaktı. Daha yüksek basınçta su molekülleri tümüyle parçalanarak yok olacaktı.

Böylece laboratuarda Buz VII yarattıktan sonra teknolojinin verdiği en yüksek basıncı ürettiler ve Buz VIII ile diğer egzotik buz türlerini atlayıp direkt Buz XVIII’e, yani süperiyonik siyah sıcak buz üretmeye geçtiler. Bunun mümkün olan en yoğun ve son buz türü olduğunu biliyorlardı. Yazının başında anlattığımız X-ışınları da işte burada devreye girdi.

İlgili yazı: Evrenin En Sıcak Gezegenleri KELT 9b ve Kepler 70b

 

Buzun röntgenini çekmek

Nitekim suyu iki yandan sıkıştıran elmas çekiçlerin arasına lazer ışınıyla ateş ederseniz şiddetli bir şok dalgası ile nanometre (metrenin milyarda biri) boyunda buz küpleri oluşturuyorsunuz.

Sonuçta yüksek basınç altında su kristalleşiyor ve buz da bir kristaldir. Lazer ışınlarının oluşturduğu süper sıcak plazmanın yaydığı aşırı enerjik fotonlar, bu su küpçüklerini X-ışını bombardımanına tabii tutuyor; yani buzun röntgenini çekiyor. Böylece fizikçiler egzotik buzların içini oldukça net görüyor. Buna X-ışını kristalografisi, yani X ışınları ile kristal yapıların ölçümü deniyor.

Bilim insanları Neptün’ün içindeki siyah sıcak buz, yani Buz XVIII’i böyle keşfettiler. Donmak üzere olan göl yüzeyi gibi ağdalı ve karlı-buzlu olan bu sıvı; aslında Neptün’ün manyetik alanını oluşturamayacak kadar sertti. Bu yüzden manyetik alanın büyük kısmını daha üstteki sıvı iyonize su katmanı üretiyor olmalıydı.

İşte size ilk sürpriz! Neptün’ün manyetik alanının üst katmanlarda ve deyim yerindeyse sığ sularda üretilmesi, manyetik alanın neden oynak olduğu ve sürekli yer değiştirdiğini açıklıyor (akışkan sıvı kökenli). Öte yandan, Neptün’ün siyah sıcak buz katmanının (dış çekirdek) üzerindeki iyonize su amonyak da içeriyor (bu açıdan, ayakkabı silmekte kullanılan amonyaklı su dolu süngerlere benziyor).

Bir amonyaklı su eksikti

Peki suyun içindeki amonyak da yüksek basınçla kristalize olarak metalik özellikler ve süperiletkenlik kazanıyor mu? Bunu bilmiyoruz. Her durumda, iyonize suyun altındaki Buz XVIII süperiyonik siyah sıcak buzun çok sıkışık olduğunu ve bu yüzden amonyak içermediğini tahmin ediyoruz. Amonyağın üstteki iyonize suyun manyetik alan üretme gücünü ne kadar etkilediğini de bilmiyoruz. Öyleyse:

İlgili yazı: Başka Galakside Binlerce Öte Gezegen Keşfettik

 

Son söz, son sürpriz ve son gizem

Neden gezegenlerin iç çekirdekleri genellikle katıdır? Örneğin, Dünya iç çekirdeğine aşırı yüksek basınç binecek kadar büyük kütleli bir gezegen… Dünya’dan birkaç kat büyük olan Neptün’ün iç çekirdeği ise zaten kendi ağırlığıyla eziliyor ve bir de gezegenin üst katmanlarının ağırlığıyla sıkışıyor.

Kısacası Dünya ve Neptün’ün iç çekirdeği çok sıcak olmak zorunda. O kadar sıcak olmalı ki çekirdekler yüksek basınca rağmen erimeli. 1) Dünya’nın durumunda çekirdek tümüyle sıvı olmalı. Neptün’ün durumunda iç çekirdek erimeli ve üst katmanların muazzam basıncıyla ezilerek mikroskobik sıvı kaya damlacıklarına dönüşmeli. Özetle iç çekirdek çaya karışan şeker gibi eriyip çözülmeli.

Ancak, Dünya ve Neptün’ün katı çekirdeği var: Bunun nedeni, demir-nikel veya kayalık çekirdeklerin yüksek basınç altında kristalleşmesidir. Kristaller de tıpkı elmas gibi kolay kolay eriyip ufalanmayacak kadar serttir. Örneğin, Dünya’nın iç basıncı Neptün’den düşüktür; ama demir-nikel çekirdeği daha yoğun ve ağırdır. Bu da göreli basıncı artırıp iç çekirdeği demir-nikel kristaline dönüştürmüştür.

Neptün’ün kayalık iç çekirdeği ise kristalleşmek için Dünya’dan daha yüksek basınca gerek duyuyor; ama sıkıntı yok. Neptün’ün kütlesi Dünya’dan 17 kat fazla. Bu da yüksek basınç altında bile demir kadar yoğun veya ağır olmayacak su buzunu çok daha şiddetli ezerek iyici sıkıştırıyor:

İlgili yazı: Öte Gezegenlerde Yaşam Aramanın 5 Yolu

 

Dünya’nın sonu

İyi ki de sıkıştırıyor; çünkü Dünya’nın çekirdeği tümüyle sıvı olsaydı manyetik alanı zayıf olurdu. Bu da yeryüzünün atmosferinin 4 milyar yıl önce, tıpkı Mars atmosferi gibi güneş rüzgarıyla parçalanıp uzaya savrulmasına yol açar ve Dünya’da hayat oluşamazdı.

Peki Dünya’nın iç çekirdeğinin gezegenden 4 milyar genç olduğunu biliyor musunuz? Ya Güneş Sistemi ve Jüpiter’in en büyük uydusu Ganymede’nin içinde 4 yeraltı okyanusu ve 3 farklı egzotik buz olduğunu? Artık biliyorsunuz ve nasılını da ilgili yazılarda okuyabilirsiniz. Muhteşem bir hafta geçirin.

16 farklı sıcak buz türü

¹Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice