Физики прояснили структуру твёрдого метана в недрах ледяных гигантов

Физики из Эдинбургского университета (Великобритания) под руководством Мэннана Вана провели эксперименты под высоким давлением и применили оптическую спектроскопию, чтобы прояснить структурные формы твёрдого метана. Результаты, опубликованные в Physical Review Letters, должны разрешить давние споры о фазовой диаграмме этого вещества, что важно для понимания недр планет-гигантов.

Хотя в атмосфере Земли метан существует в виде газа, при экстремально низких температурах или высоких давлениях он замерзает в твёрдое состояние. Такие условия есть, например, на поверхности Плутона и, что важнее, в глубинах Урана и Нептуна. Однако структура твёрдого метана в этих условиях долгое время оставалась предметом дискуссий.

Молекула метана имеет тетраэдрическую форму. При кристаллизации (при −182,5 °C и атмосферном давлении или при давлении около 1,3 ГПа и комнатной температуре) он сначала образует гранецентрированную кубическую решётку. При ещё более высоких давлениях возникают более сложные структуры — известно до девяти возможных фаз, но их расположение на фазовой диаграмме было неясно.

Команда Вана провела эксперименты в диапазоне температур до 1100 K и давлений до 45 ГПа. Исследователи построили две версии фазовой диаграммы твёрдого метана: одна описывает кинетические фазовые превращения, а вторая — равновесные состояния, которые формируются, когда образец выдерживается при постоянных температуре и давлении в течение нескольких месяцев.

Анализ показал существенные различия между этими диаграммами, особенно при высоких давлениях. Это объясняет, почему научные данные долгое время расходились. Во-первых, области стабильности разных фаз сильно зависят от времени из-за медленной кинетики перестройки молекул. Во-вторых, молекулы метана чувствительны к свету и могут разлагаться под мощными лучами спектроскопических приборов.

Прояснение фазовой диаграммы метана позволит создавать более точные модели внутреннего строения Урана и Нептуна. Результаты также помогут в планировании будущих экспериментов при ещё более экстремальных условиях, где могут быть обнаружены новые экзотические фазы метана.