カーネギー科学研究所の最新の計算研究は、天王星や海王星などの氷の巨人の深部内部に、共通元素の炭素と水素が前例のない形で存在している可能性があることを示しています。この新しい物質の状態は、惑星の内部構造と磁場の形成メカニズムについての科学界の理解を再構築すると期待されています。
この研究はカーネギー科学研究所のCong Liu氏とRonald Cohen氏が主導し、関連する結果はNature Communications誌に掲載された。彼らは、高性能コンピューティングを使用して、量子力学の第一原理から出発して、超高圧高温条件下での単純な炭化水素（化学式はCH、つまり炭化水素）の挙動を系統的にシミュレーションしました。
天王星と海王星は「氷の巨人」に分類されます。既存の観測とモデルは、これら 2 つの惑星の内部構造が大まかに 3 つの層に分けられることを示しています。最外層は水素とヘリウムの大気であり、厚い「熱い氷」の層に挟まれています。最内層は岩石と金属で構成される高密度の核です。科学界は一般に、これらの「熱い氷」は主に水 (H₂O)、メタン (CH₄)、アンモニア (NH₄) で構成されていると信じています。しかし、極度の圧力や温度下では、これらの物質は通常の温度や圧力とはまったく異なる構造や特性を示します。
Cong Liu氏とCohen氏のシミュレーションは、圧力範囲約500～3,000ギガパスカル（地球の大気圧の500万～3,000万倍に相当）、温度範囲約4,000～6,000ケルビン（摂氏約6,740～10,340度）をカバーしており、この条件は氷の巨大惑星の深部に匹敵する条件である。結果は、このような惑星の内部条件下では、炭化水素が六方格子構造を持つ化合物を形成できることを示している。炭素は外側でらせん鎖を形成し、水素は内側でらせん鎖を形成し、これらのらせん経路に沿って方向に移動する。
この構造では、材料はいわゆる「準一次元超イオン状態」を示します。超イオン物質は固体と液体の間の特殊な状態です。結晶格子内の一部の原子は固体状態で秩序を維持しますが、他の原子は液体のように結晶格子内を自由に移動できます。研究によると、この新しい相では、炭素骨格は規則正しい六角形の結晶構造を維持しており、一方、水素原子は三次元空間内で等方的に拡散するのではなく、主にあらかじめ定められた螺旋チャネルに沿って一方向に移動する。
コーエン氏は、この新たに予測された炭素・水素相が「特に目を引く」理由は、その原子の動きが完全に三次元ではなく、ある特定の螺旋経路に強く偏っているためだと指摘した。この方向性の高い移行の特徴は、惑星材料では非常にまれです。この「準一次元」超イオンの挙動は、そのような材料内で熱と電荷が輸送される方法が等方性高温流体の従来の理解とは大きく異なる可能性があることを意味します。
この発見は、惑星科学に複数の潜在的な影響を及ぼします。まず第一に、結晶格子内での水素の方向性の移動は、深部物質の熱伝導率と電気伝導率に直接影響を及ぼし、それによって惑星の内部エネルギーが深層から外層に伝達される方法が変化します。第二に、この異常な伝導特性は、氷の巨大惑星の特殊な磁場の形状に関連している可能性があり、これは、地球や巨大ガス惑星（木星や土星など）と比較して、天王星と海王星の磁場構造のより歪で偏心した観測特性を説明するのに役立ちます。
近年、確認された系外惑星の数は6,000を超え、今も増え続けており、天文学、惑星科学、地球科学における相互協力が緊密になっています。研究者は、観察、実験、理論的シミュレーションを組み合わせることにより、磁場の発生メカニズムや深層構造の進化など、惑星内部の物質状態と物理プロセスを特徴づけようとしています。太陽系の惑星や衛星の奥深くにある「目に見えない」領域をモデル化することは、これらの天体そのものの挙動を理解するのに役立つだけでなく、地球外生命体の居住可能性などの問題への手がかりを提供することも期待されています。
Liu Cong 氏は、炭素と水素は惑星の物質に最も一般的な 2 つの元素のうちの 1 つであるが、巨大な惑星のような条件下でのこの単純な元素の組み合わせの挙動は完全には理解されていないと指摘しました。この研究は、最も基本的な化学系であっても、極度の圧力と温度の下では複雑で予期せぬ結晶構造や動的構造を進化させる可能性があることを示しており、高圧物質の世界に対する科学研究者の理解の限界を拡大します。
惑星物理学における重要性に加えて、強い方向性輸送特性を持つこの材料は、材料科学および材料工学のより広範な分野でも応用の可能性がある。たとえば、高度に異方性の電気伝導率または熱伝導率が必要なシナリオでは、このタイプの超イオン材料は新しい機能材料の理論的青写真となり、将来のエネルギーおよび電子デバイスの設計に新しいアイデアを提供すると期待されています。