،کربن و هیدروژن از جمله عناصر با درصد فراوانی بالا در جهان هستند و یکی از اجزای اصلی سیارات غول پیکر یخی مانند سیارات  اورانوس و نپتون به شمار می‌روند.

در اتمسفر بیرونی، این اتم‌ها به شکل گاز متان یافت می‌شوند، اما در عمق بیشتری و به تبع آن فشار بالا ساختار هیدروکربن‌ها پیچیده‌تر می‌شود؛ پیش بینی فاز‌ها و سازه‌هایی که مواد در این شرایط به دست می‌آورند یکی از مسائل بزرگ تحقیقات مربوط به سیاره‌ای است.

به منظور درک بهتر ساختار غول‌های یخی، یک تیم بین المللی به رهبری دو پژوهشگربه نام‌های دکتر نیکلاس هارتلی و دکتر دونیمیک Kraus دو نوع پلاستیک پلی استایرن و پلی اتیلن را در یک شرایط آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دادند؛ این مواد در شیمی به هیدروکربن درون سیارات مشابه است.

در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC در ایالات متحده، دانشمندان نمونه‌هایی را در معرض شرایطی قرار دادند که حدود ۱۰ هزار کیلومتر زیر سطح نپتون و اورانوس وجود دارد. در این عمق، فشار تقریبا برابر با هسته زمین و ۲ میلیون برابر فشار جو زمین است.

رسیدن به فشار‌های بسیار بالا

در چنین فشار‌های زیاد و درجه حرارت، تنها ساختار ممکن است که محققان انتظار مشاهده آن را داشتند الماس یا نمونه‌هایی که ذوب می‌شوند؛ بود، اما در عوض، آن‌ها برای نمونه‌های پلی اتیلن ساختار‌های پایدار هیدروکربنی را تا بالاترین فشار به دست آوردند.

هارتلی یکی از پژوهشگران این پروژه می‌گوید: «از این نتیجه بسیار شگفت زده شدیم.» انتظار داشتیم که حالت اولیه تفاوت بسیاری با شرایط نهایی داشته باشد و اخیرا با پیشرفت منابع پرتو ایکس با وضوح بیشتری، قادر به مطالعه این مواد شدیم. البته ما جزء ما اولین کسانی بودیم که فکر می‌کردیم اتفاق حاضر رخ دهد و این چنین هم شد.

از آنجایی که این شرایط درون غول‌های یخی روی زمین تنها برای یک لحظ کوتاه قابل دسترسی است، محققان نیاز به روش‌های اندازه گیری سریع دارند و تنها تعداد انگشت شماری از دستگاه‌های لیزر فوق اشعه ایکس در سراسر جهان برای این منظور وجود دارد که زمان برای اندازه گیری بسیار کم، اما به شدت نیاز است.

کراوس و هارتلی (پژوهشگران این پروژه) در مجموع سه شیفت ۱۲ ساعته برای آزمایش خود در نظر گرفتند بنابراین مجبور بودند از هر دقیقه برای انجام هر گونه اندازه گیری که ممکن است انجام شود بهره بگیرند.

لحظه‌ای که آن‌ها نمونه و کاوشگر را به وسیله لیزر اشعه ایکس تکان می‌دهند تنها چند میلیاردم ثانیه طول می‌کشد.

کشف یک ساختار غیر منتظره

هارتلی پژوهشگران این آزمایش می‌گوید که حتی در طول آزمایشات، محققان توانستند نتایج اولیه را تشخیص دهند و بسیار هیجان زده بودیم. امید داشتیم تا پلی استایرن ساختار‌های الماس مانند کربن را تشکیل دهد اما برای پلی اتیلن، هیچ الماسی در شرایط در نظر گرفته شده نداشتیم در عوض، یک ساختار جدید ایجاد شد که در ابتدا نمی‌توانستیم آن را توضیح دهیم؛ با مقایسه داده‌ها با نتایج قبلی در فشار پایین، آن‌ها آن را به عنوان یک ساختار پایدار از پلی‌اتیلن که در فشار پنج بار کمتر از آزمایش قبلی ایجاد شده و در دمای محیط، شناسایی کرد.

نتایج تیم تحقیقاتی اهمیت درجه حرارت، ترکیب شیمیایی و شرایط فشار را داخل غول‌های یخی نشان می‌دهد که این عوامل در درک ساختار و خواص فیزیکی آن‌ها تاثیرگذار است.

مدل‌های اورانوس و نپتون فرض می‌کنند که میدان‌های مغناطیسی غیر معمول این سیارات ممکن است از هیدروژن آزاد تشکیل شده باشد؛ این نتایج می‌تواند به این معنی است که نتایج کمتر مورد انتظار است.

در آینده، محققان قصد دارند تا مخلوطی از جمله اکسیژن را مورد استفاده قرار دهند تا آزمایشات خود را با شیمی در داخل سیارات مطابقت دهند.