يُظهر أحدث الأبحاث الحسابية التي أجراها معهد كارنيجي للعلوم أنه في الأجزاء الداخلية العميقة من العمالقة الجليدية مثل أورانوس ونبتون، قد تتواجد العناصر المشتركة الكربون والهيدروجين في شكل غير مسبوق. ومن المتوقع أن تعيد هذه الحالة الجديدة للمادة تشكيل فهم المجتمع العلمي للبنية الداخلية للكواكب وآلية تكوين المجالات المغناطيسية.

وقاد البحث كونغ ليو ورونالد كوهين من معهد كارنيجي للعلوم، وتم نشر النتائج ذات الصلة في مجلة Nature Communications. باستخدام الحوسبة عالية الأداء والبدء من المبادئ الأولى لميكانيكا الكم، قاموا بشكل منهجي بمحاكاة سلوك الهيدروكربونات البسيطة (صيغتها الكيميائية هي CH، أي الهيدروكربونات) تحت ظروف الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية.

يُصنف أورانوس ونبتون على أنهما "عمالقة الجليد". تظهر الملاحظات والنماذج الحالية أن الهياكل الداخلية لهذين الكوكبين يمكن تقسيمها تقريبًا إلى ثلاث طبقات: الطبقة الخارجية عبارة عن غلاف جوي من الهيدروجين والهيليوم، محاط بطبقة سميكة من "الجليد الساخن"، والطبقة الداخلية عبارة عن نواة كثيفة مكونة من الصخور والمعادن. يعتقد المجتمع العلمي عمومًا أن هذه "الثلوج الساخنة" تتكون أساسًا من الماء (H₂O)، والميثان (CH₄)، والأمونيا (NH₄)؛ ولكن تحت الضغط ودرجة الحرارة الشديدين، ستظهر هذه المواد هياكل وخصائص مختلفة تمامًا عن درجة الحرارة والضغط العاديين.

غطت عمليات المحاكاة التي أجراها كونغ ليو وكوهين نطاق ضغط يتراوح بين حوالي 500 إلى 3000 جيجاباسكال (أي ما يعادل 5 ملايين إلى 30 مليون ضعف الضغط الجوي للأرض) ومدى درجة حرارة يتراوح بين حوالي 4000 إلى 6000 كلفن (حوالي 6740 إلى 10340 درجة مئوية)، وهي ظروف مماثلة لتلك الموجودة في أعماق الكواكب الجليدية العملاقة. تظهر النتائج أنه في ظل هذه الظروف الداخلية الكوكبية، يمكن للهيدروكربونات أن تشكل مركبًا ذو بنية شبكية سداسية: يشكل الكربون سلاسل حلزونية من الخارج، ويشكل الهيدروجين سلاسل حلزونية من الداخل ويهاجر بشكل اتجاهي على طول هذه المسارات الحلزونية.

في هذا الهيكل، تظهر المادة ما يسمى بـ "حالة فائقة التأين شبه أحادية البعد". المواد فائقة التأين هي حالة خاصة بين المواد الصلبة والسوائل: تظل بعض الذرات في الشبكة البلورية مرتبة في الحالة الصلبة، بينما يمكن للذرات الأخرى أن تتحرك بحرية في الشبكة البلورية مثل السائل. تظهر الأبحاث أنه في هذه المرحلة الجديدة، يحافظ الهيكل العظمي للكربون على بنية بلورية سداسية منظمة، بينما تتحرك ذرات الهيدروجين بشكل أساسي بشكل اتجاهي على طول قنوات حلزونية محددة مسبقًا بدلاً من الانتشار بشكل متساوي في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

وأشار كوهين إلى أن السبب وراء كون مرحلة الكربون والهيدروجين المتوقعة حديثًا "ملفتة للنظر بشكل خاص" هو أن حركتها الذرية ليست ثلاثية الأبعاد تمامًا، ولكنها منحازة بقوة نحو مسارات حلزونية محددة معينة. ميزة الهجرة الاتجاهية للغاية هذه نادرة جدًا في المواد الكوكبية. ويعني هذا السلوك الفائق التأين "شبه أحادي البعد" أن الطريقة التي يتم بها نقل الحرارة والشحنة داخل هذه المواد قد تكون مختلفة تمامًا عن الفهم التقليدي للسوائل ذات درجة الحرارة العالية المتناحية.

هذا الاكتشاف له آثار محتملة متعددة على علوم الكواكب. أولًا، ستؤثر الهجرة الاتجاهية للهيدروجين في الشبكة البلورية بشكل مباشر على التوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي للمادة العميقة، وبالتالي تغيير كيفية نقل الطاقة الداخلية للكوكب من الطبقة العميقة إلى الطبقة الخارجية. ثانيًا، قد تكون هذه الخاصية التوصيلية غير الطبيعية مرتبطة بشكل المجال المغناطيسي الخاص للكواكب العملاقة الجليدية، مما يساعد على تفسير خصائص الرصد الأكثر تشويهًا وغرابة الأطوار لهياكل المجال المغناطيسي لأورانوس ونبتون مقارنة بالأرض والكواكب الغازية العملاقة (مثل المشتري وزحل).

في السنوات الأخيرة، تجاوز عدد الكواكب الخارجية المؤكدة 6000، ولا يزال العدد في ازدياد، مما أدى إلى توثيق التعاون المتبادل في علم الفلك وعلوم الكواكب وعلوم الأرض. ومن خلال مجموعة من الملاحظات والتجارب والمحاكاة النظرية، يحاول الباحثون توصيف الحالة المادية والعمليات الفيزيائية داخل الكوكب، بما في ذلك آلية توليد المجال المغناطيسي وتطور الهياكل ذات الطبقات العميقة. إن نمذجة المناطق "غير المرئية" الموجودة في أعماق كواكب وأقمار النظام الشمسي لن تساعد فقط في فهم سلوك هذه الأجرام السماوية نفسها، ولكن من المتوقع أيضًا أن توفر أدلة لقضايا مثل قابلية العيش خارج كوكب الأرض.

وأشار ليو كونغ إلى أن الكربون والهيدروجين هما أحد العنصرين الأكثر شيوعًا في المواد الكوكبية، لكن سلوك مجموعة العناصر البسيطة هذه في ظل ظروف شبيهة بالكواكب العملاقة ما زال بعيدًا عن الفهم الكامل. يوضح هذا العمل أنه حتى الأنظمة الكيميائية الأساسية يمكنها تطوير هياكل بلورية وديناميكية معقدة وغير متوقعة تحت ضغط ودرجة حرارة شديدين، مما يوسع حدود فهم الباحثين العلميين لعالم المواد عالية الضغط.

بالإضافة إلى أهميتها في فيزياء الكواكب، فإن هذه المادة ذات خصائص النقل الاتجاهي القوية قد تجد أيضًا آفاقًا للتطبيق في المجالات الأوسع لعلوم وهندسة المواد. على سبيل المثال، في السيناريوهات التي تتطلب موصلية كهربائية أو حرارية عالية التباين، من المتوقع أن يصبح هذا النوع من المواد فائقة التأين مخططًا نظريًا للمواد الوظيفية الجديدة، مما يوفر أفكارًا جديدة للطاقة المستقبلية وتصميم الأجهزة الإلكترونية.