宇宙のいたるところに奇妙な形の水が存在するかもしれない

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最近、ニューヨーク州ブライトンにあるレーザーエネルギー研究所で、世界最高強度のレーザーの一つが水滴に照射され、衝撃波が発生しました。この衝撃波によって水滴の圧力は数百万気圧、温度は数千度にまで上昇しました。そして、その一瞬の間に水滴を透過したX線が、人類に極限状態にある水を初めて垣間見せました。

クアンタマガジン

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

X線撮影の結果、衝撃波内部の水は過熱した液体や気体にはならなかったことが明らかになった。逆説的ではあるが、隣の部屋でスクリーンを凝視していた物理学者たちが予想していた通り、原子は固体として凍結し、結晶氷を形成した。

「銃声が聞こえたら、何か面白いことが起こっていることがすぐに分かります」と、カリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所のマリウス・ミロット氏は語った。ミロット氏は、同じくローレンス・リバモア研究所のフェデリカ・コッパリ氏と共同で実験を主導した。

今週Nature誌に掲載された研究結果は、「超イオン氷」の存在を裏付けるものです。これは奇妙な性質を持つ新しい水相です。冷凍庫や北極で見られるような馴染みのある氷とは異なり、超イオン氷は黒く熱い状態です。立方体の氷は通常の氷の4倍の重さになります。この氷は30年以上前に理論的に予測され、これまで観測されたことはありませんでしたが、科学者たちは宇宙で最も豊富な水の一つである可能性があると考えています。

少なくとも太陽系全体では、地球、エウロパ、エンケラドゥスの海に液体として存在するものを含め、他のどの相よりも多くの水が超イオン氷（天王星と海王星の内部を満たす）として存在していると考えられます。超イオン氷の発見は、これらの「氷巨星」の組成に関する数十年来の謎を解く可能性を秘めています。

一般的な氷に見られる水分子の六角形配列（「氷Ih」として知られる）を含め、科学者たちは既に18種類もの氷結晶の構造を発見しています。氷IにはIhとIcの2つの形態があり、残りの氷は発見順にIIからXVIIまで番号が付けられています。（もちろん氷IXも存在しますが、カート・ヴォネガットの小説『猫のゆりかご』に登場する架空の終末物質とは異なり、人為的な条件下でのみ存在します。）

超イオン氷が今や氷XVIIIのマントルを名乗るに至った。これは新しい結晶だが、少しひねりがある。これまで知られていた水の氷はすべて、酸素原子1個と水素原子2個が結合した、完全な水分子でできている。しかし、新たな測定結果によって、超イオン氷はそうではないことが確認された。超イオン氷は、部分的に固体、部分的に液体という、シュールレアリスト的な中間状態にある。個々の水分子が分解する。酸素原子は立方格子を形成するが、水素原子は自由に動き出し、酸素という硬い檻の中を液体のように流れていく。

専門家によると、超イオン氷の発見はコンピューター予測の正しさを立証するものであり、材料物理学者が将来、特異な特性を持つ物質を作り出すのに役立つ可能性がある。また、この氷の発見には超高速測定と温度・圧力の精密制御が必要だったため、実験技術の進歩をもたらした。「これら全ては、例えば5年前には不可能だったでしょう」と、氷XIII、XIV、XVを発見したユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのクリストフ・ザルツマン氏は述べた。「間違いなく、大きなインパクトを与えるでしょう。」

誰に聞くかによって、超イオン氷は、既に複雑な水の相の配列に新たな一種が加わるか、あるいはさらに奇妙な何かになるかのどちらかだ。フランス国立科学研究センターおよびピエール・エ・マリー・キュリー大学の物理学者リヴィア・ボーヴ氏によると、超イオン氷は水分子が分解するため、水の新しい相というわけではないという。「これはまさに物質の新しい状態であり、非常に驚くべきことです」と彼女は述べた。

パズルを凍結

物理学者たちは、1988年にピエールフランコ・デデモティスが主導した原始的なコンピューターシミュレーションで、水を既知の氷相の範囲外に押し広げると、この奇妙でほとんど金属のような形状をとるだろうと予測されて以来、何年も超イオン氷を追い求めてきた。

シミュレーションによると、極度の圧力と熱にさらされると、水分子は壊れる。酸素原子が立方格子に閉じ込められているため、「水素原子は結晶中のある位置から別の位置へと飛び移り始め、また飛び移り、さらにまた飛び移り続ける」とミロ氏は述べた。格子間の飛び移りは非常に速いため、イオン化されて実質的に正電荷を帯びた陽子となっている水素原子は、液体のように動いているように見える。

このことから、超イオン氷は金属のように電気を伝導し、水素が通常の電子の役割を果たすことが示唆されました。これらの水素原子が自由に動き回ると、氷の無秩序性、つまりエントロピーも増大します。その結果、この氷は他の種類の氷結晶よりもはるかに安定し、融点が急上昇すると考えられます。

しかし、これらは想像するのは容易だったものの、信じるのは難しかった。初期のモデルは単純化された物理学を用いて、現実の分子の量子的な性質を軽視していた。後のシミュレーションではより多くの量子効果が取り入れられたものの、複数の量子体の相互作用を記述するために必要な実際の方程式は依然として避けられており、これらの方程式は計算的に解くのが難しすぎる。代わりに近似値に頼ったため、シナリオ全体がシミュレーション上の幻影に過ぎない可能性が浮上した。一方、実験では、この頑丈な物質でさえ溶けるほどの熱を発生させずには、必要な圧力を作り出すことができなかった。

しかし、問題がくすぶるにつれ、惑星科学者たちは、水が超イオン氷相を持つかもしれないという密かな疑念を抱くようになった。この相が初めて予測されたちょうどその頃、探査機ボイジャー2号は太陽系外縁部に到達し、氷の巨星である天王星と海王星の磁場に奇妙な点を発見した。

太陽系の他の惑星の周囲の磁場は、明確に区別された南北極だけで構成されているように見えますが、それ以外の構造はあまり見られません。まるで、中心に棒磁石が自転軸と一直線に並んでいるかのようです。惑星科学者たちはこれを「ダイナモ」、つまり惑星の自転に伴って導電性の流体が上昇・渦巻き、巨大な磁場を発生させる内部領域によるものと解釈しています。

対照的に、天王星と海王星から発せられる磁場は、より塊状で複雑で、2つ以上の極を持つように見えました。また、それらの磁場は惑星の自転とそれほど密接には揃っていません。これを実現する一つの方法は、ダイナモ作用を担う導電性流体を、惑星の核まで到達させるのではなく、薄い外殻に閉じ込めることです。

しかし、これらの惑星がダイナモを発生できない固体の核を持つという考えは現実的ではないように思えた。これらの氷巨星を掘削すれば、まずイオン水の層に遭遇し、それが流れ、電流を伝導し、ダイナモに関与すると予想される。素朴に考えれば、さらに深い場所、さらに高温の物質も流体であるように思える。「以前は、天王星と海王星の内部が実際には固体であるはずがないといつも冗談を言っていました」と、ジョンズ・ホプキンス大学のサビーヌ・スタンリー氏は述べた。「しかし、今、実際に固体である可能性があることが判明しました。」

氷の爆発

今、ついにコッパリ氏、ミロット氏、そして彼らのチームはパズルのピースを一つにまとめ上げました。

2018年2月に発表された以前の実験で、物理学者たちは超イオン氷の間接的な証拠を構築した。彼らは、2枚のカットダイヤモンドの尖端の間に室温の水滴を押し込んだ。圧力が約1ギガパスカル（マリアナ海溝の底の圧力の約10倍）に達すると、水は氷VIと呼ばれる正方晶系の結晶に変化した。約2ギガパスカルになると、氷VIIへと変化した。氷VIIはより密度が高く、肉眼で透明な立方晶系で、科学者たちは最近、天然ダイヤモンド内部の微細な隙間にも氷VIIが存在することを発見した。

その後、ミロー氏らはレーザーエネルギー研究所のオメガレーザーを用いて、ダイヤモンドアンビルの間にある氷VIIをターゲットとした。レーザーがダイヤモンドの表面に当たると、物質が上方に蒸発し、ダイヤモンドは事実上反対方向にロケットのように押し出され、氷に衝撃波が伝わった。ミロー氏のチームは、超高圧氷が約4,700℃で融解することを発見した。これは超イオン氷の予想温度とほぼ一致しており、荷電陽子の移動によって電気を伝導することを確認した。

超イオン氷のバルク特性に関する予測が固まったことで、コッパリ氏とミロ氏が率いる新たな研究は、その構造を確認するという次のステップに進みました。「何かが結晶性であることを本当に証明したいのであれば、X線回折が必要です」とザルツマン氏は言います。

彼らの新たな実験では、氷VIと氷VIIは全く考慮されず、代わりにレーザー光線をダイヤモンドアンビルの間で水に照射し、衝突させるだけで済ませた。数十億分の1秒後、衝撃波が波紋のように広がり、水がナノメートルサイズの氷の塊へと結晶化し始めると、科学者たちはさらに16本のレーザー光線を用いて、サンプルのすぐ隣にある薄い鉄片を蒸発させた。その結果生じた高温プラズマは、結晶化しつつある水にX線を大量に照射し、氷の結晶から回折することで、研究チームはその構造を解明することができた。

水中の原子は、長らく予測されていたものの、これまで見たことのない構造、氷XVIIIへと再配置されました。これは立方格子で、各面の隅と中心に酸素原子が配置されています。「これはまさに画期的な進歩です」とコッパリ氏は語りました。

「この相の存在が量子分子動力学シミュレーションの産物ではなく、現実であるという事実は、非常に安心できる」とボーブ氏は語った。

シミュレーションと実際の超イオン氷とのクロスチェックがこれほど成功したことは、物質物理学研究者の究極の「夢」が間もなく実現するかもしれないことを示唆している。「物質にどのような特性を求めるか教えてください。コンピューターを使って、必要な物質と結晶構造を理論的に導き出します」と、カリフォルニア大学バークレー校を拠点とする発見チームのメンバー、レイモンド・ジーンズ氏は述べた。「コミュニティ全体が、その夢に近づいているのです。」

新たな分析は、超イオン氷はある程度の電気伝導性を持つものの、どろどろとした固体であることを示唆している。時間とともに流動するだろうが、実際には激しく攪拌することはない。つまり、天王星と海王星の内部では、流体層は惑星の約8,000キロメートル深で停止し、そこからミローのチームが生成したような、動きの遅い超イオン氷の巨大なマントルが始まる可能性がある。このことは、ダイナモ作用の大部分が浅い深さに限定されることを意味し、惑星の異常な磁場を説明する。

太陽系の他の惑星や衛星は、超イオン氷が存在するのに適した温度と圧力のスイートスポットを内部に持たない可能性が高い。しかし、多くの巨大氷惑星はそのような条件を満たす可能性があり、この物質が銀河系全体の氷惑星内部に広く存在する可能性を示唆している。

もちろん、現実の惑星は水だけを含んでいません。太陽系の巨大氷惑星は、メタンやアンモニアといった化学種も混合しています。自然界で実際に超イオン的な挙動がどの程度起こるかは、「水と他の物質を混合した際に、これらの相が依然として存在するかどうかにかかっています」とスタンリー氏は述べています。今のところ、それは明らかではありませんが、他の研究者は超イオン性アンモニアも存在するはずだと主張しています。

研究チームは、他の材料への研究拡大に加え、超イオン結晶の奇妙で、ほとんど逆説的とも言える二重性にも焦点を絞り続けたいと考えている。酸素原子の格子を捉えること自体が「これまでで最も困難な実験であることは明らかです」とミロ氏は語る。彼らはまだ、格子を通過する陽子のかすかな格子間流を観測できていない。「技術的にはまだそこまでには至っていませんが、この分野は急速に成長しています」とコッパリ氏は述べた。

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