Объединённая группа физиков из Национальной лаборатории Сандия (США) и Ростокского университета (Германия) провела новые эксперименты по ударному сжатию воды, результаты которых позволяют уточнить модели внутреннего строения планет.

Вода считается одной из основных составляющих ледяных объектов Солнечной системы, а также некоторых экзопланет — «суперземель» вроде GJ 1214b и «горячих Нептунов». Планетарным льдом при этом называют смесь H₂O, CH₄ и NH₃, которая может находиться и в твёрдом (на поверхности), и в жидком состоянии. Скажем, на Нептуне и Уране подобная смесь существует только в виде жидкости.

Поскольку главным компонентом планетарного льда остаётся вода, при моделировании его часто представляют в виде H₂O. Именно поэтому уравнение состояния воды в области высоких давлений и температур (сотен гигапаскалей и тысяч кельвинов), которые устанавливаются в недрах ледяных гигантов, представляет огромный интерес для теоретиков.

Такое уравнение состояния, найденное сотрудниками Лос-Аламосской национальной лаборатории, было внесено в специализированную базу данных Sesame несколько десятков лет назад. Данных для вывода точного уравнения тогда явно не хватало: давление, создававшееся в проведённых в середине ХХ века опытах по ударному сжатию воды, доходило лишь до ~40 ГПа. У тех же Нептуна и Урана давление в недрах оценивается в ~600 ГПа, а у многих найденных ледяных экзопланет оно должно быть ещё больше.

Установка Z Machine, снятая в момент разряда (фото R. Montoya / Sandia National Laboratory).

С развитием экспериментальных методик исследуемая область давлений постепенно расширялась, и сейчас американо-германская группа сообщает об ударном сжатии воды до 700 ГПа и плотности в 3,8 г/см³. Таких величин физикам удалось достичь на американской установке Z Machine, способной выдавать импульсы тока с амплитудой в ~20 МА и временем нарастания в ~100 нс. Эти импульсы используются для разгона небольшой (двухграммовой) алюминиевой пластинки до 27 км/с, воздействие которой на образец и создаёт необходимое давление.

Обработка собранных данных выявила довольно серьёзный недостаток применяемых теоретиками уравнений состояния воды: они дают завышенные оценки сжимаемости на участке давлений и температур, соответствующем недрам планет. Новые измерения также подтверждают высказанное в 2009-м предположение о том, что температура в центральных областях Урана и Нептуна переоценивается, и свидетельствуют в пользу того, что многие ледяные экзопланеты обладают магнитными полями.