Merkelig er den solide delen av planeten sannsynligvis laget av is - den krystallinske form av vann, eller H2O, akkurat som vi har på jorden. Men alle som har drukket en iskrem på en varm sommerdag, vet hvor raskt isen kan smelte. Hvordan blir isen så varm, men forbli den solide isen av igloos og cocktailer?
Sannheten ligger i den rare, nesten utrolige verden av kjemi og fysikk: det er mer enn en type is, laget av den samme typen vann du drikker hver dag. Faktisk er det minst 17 faser av is som forskere har oppdaget så langt, noe som gjør is til et langt mer komplisert materiale enn noen tidligere hadde trodd.
Forskere har gjenskapt betingelsene for å lage disse uvanlige isstykkene i laboratoriene deres, blant annet is X og XVI - de høytrykks-glassene som forskerne mener finnes i det brennende klimaet av Gliese 436 b.
En kunstneres inntrykk av Gilese 436b med en kometliknende moln av hydrogen. Også avbildet er foreldre-stjernen, som er en svak rød dverg som heter Gliese 436. Væsken fordamper fra planeten på grunn av ekstrem stråling fra stjernen. (Foto: ESA / Hubble / Public Domain)
Det viser seg at vann, stift av våre biologiske prosesser og kraften bak livet selv - er ikke ditt typiske væske, og har dusinvis av anomalier. "Det er uvanlig å ha så mange faser," sier emeritus professor Martin Chaplin, på London South Bank University. Chaplin studerer vandige systemer, og er forfatter av den mest omfattende is- og vannwebsiden til dags dato.
Vannets merkelige anomalier begynner med sin grunnleggende struktur: når vannmolekyler kobles, gjør de det med et hydrogenmolekyl. Dette bindingen er så sterk at vannet trenger høyere temperaturer til å koke og smelte enn normalt forventes av væsker, og mye høyere enn oksygen eller hydrogen alene. Siden disse bindingene kan strekke seg, blir avstanden mellom hydrogen og oksygen mindre når temperaturen stiger, og avstanden blir større når trykket øker.
En snøfnugg sett gjennom et mikroskop bestående av Ice Ih. (Foto: Michael / WikiCommons CC BY-SA 2.0)
"Dette er en konsekvens av hydrogenbindingen og den relativt lave tettheten ved lave trykk, noe som gjør det mulig å ha mange tettere strukturer," sier Chaplin. Krystallstrukturen til isen Ih, den normale "sekskantede" isen som vi kommer i kontakt med i frysere og på snøflak, bestemmes også av dette bindet og i vår atmosfære danner en uniform, åpen gitter med sekskantede krystaller.
Så når planeten Gliese 436 b er under super høyt trykk, knuses isen ned, dens molekyler strekker seg og komprimeres i nye former, og den krystallinske strukturen oppstår helt forandret. Hvis det for eksempel eksisterer is X på denne varme planeten, som forskere tror, holder den seg fast ved alltid å komprimere inn i et pent, trådgjerdeformet gitter. På samme måte som vann koker ved lavere temperatur i fjellet enn på havnivå, ved høy temperatur under ekstremt trykk, vil is X trenge en mye høyere temperatur å smelte enn når den er i jordens lysere atmosfære.
Interiørstruktur av Gliese 436b. (Foto: Dr Jason Wright / WikiCommons)
Og det er bare en merkelig isfase, alle av dem unike. Ifølge Chaplins nettside er det uorganiserte mønsteret av is VII sannsynligvis funnet på «gigantiske planeter og isete måner», is VI-molekyler er justert i ryddige trekantede gitter, og is V har en molekylær struktur som ser ut som en K'NEX leketøyskulptur borte feil. Ice III har en bølgete, lekende krystallstruktur med molekyler som nesten virker som de danser, mens isen XVI ligner en honningkake og faktisk kan holde og lagre forskjellige gasser. Kubisk is, kalt is Ic, sannsynligvis danner i de høyeste, kaldeste skyene i jordens atmosfære, og dens 3D-modell ser ut som punkt- og bordslipte diamanter.
Å gjenskape disse effektene i laboratoriet, som du kanskje tror, er ganske involvert. Før alt begynner, trenger isforskere forhold som Chaplin sier er utfordrende å skape. "Det er vanskelig å produsere virkelig rent vann," sier Chaplin, og det er vanskelig å se på molekylene selv. "Ved lave temperaturer kan strukturendringer bli veldig treg."
For å studere disse faser, knuser forskere mindre enn et gram is i et fint pulver, og superkjøles det med flytende nitrogen. Etter å ha lastet det inn i en spesialisert press av ikke-reagerende materialer som wolframstål eller diamanter, oppvarmer de langsomt isen, gradvis på grunn av at isens volum vil skifte, oppdaget av sensorer. I dette begrensede rommet endres plasseringen av vannmolekylene i henhold til temperaturen og trykket som utøves på isen. Forskere ser på molekylene ved hjelp av røntgenstråler eller en prosess kalt neutronkrystallografi, som bruker en liten stråle neutroner til å danne et påvisbart mønster når de sprer seg rundt ismolekylene, noe som gir et tredimensjonalt bilde av molekylet.
Struktur av is XVI. (Foto: Andrzej Falenty / WikiCommons CC BY 4.0)
Å gjenskape disse isene i laboratoriet er pent, men det er også nyttig å utvide vår kunnskap om det naturlige universet. "Ices finnes sannsynligvis inne i noen planeter og måner ved høyt trykk, og det er viktig å vite hva er deres egenskaper ... å forstå oppførselen til disse planetene og månene," sier Chaplin. "Noen ices kan danne seg i høytrykksbehandling av materialer og matvarer på jorden."
Høytrykkssider kan også hjelpe forskere til å undersøke biologiske celler; frysing ved høyt trykk kan holde isen fra å øke volumet og forstyrrende materialet under frysing, og holde delikate organiske celler intakte. Noen har antydet at is XVI kan brukes til å fjerne metangass, som produserer varme, under gulvet i dyphavet, og erstatter det med mindre skadelig CO2.
Etter å ha studert isstrukturer i stor grad, forutslo Chaplin faktisk en ny isfase syv år før den ble oppdaget i 2007, kalt stabling forstyrret is. "En natt da jeg snurret midt om natten, innså jeg at denne blandede kubiske og sekskantede isstrukturen kunne brettes opp i sfæriske (faktisk isosahedral) strukturer som kunne forklare mange av de uforklarlige, inntil da flytende egenskaper vann ", sier Chaplin, som ikke kunne sove i tre dager mens han forutsi den nye isfasen. Denne isen danner slanke, tetraedrale former, og finnes i høye cirrusskyger og flykontrailer.
Et diagram over strukturen til Ice XVI. (Foto: Courtesy Martin Chaplain)
En mer ondskapsfase av is ble spådd, sensasjonelt, i 1960-tallet fiksjon. Kurt Vonnegut skrev i sin bok Kattens vugge om is-ni, et katastrofalt stoff som er i stand til å snu jordens hele vannforsyning permanent til is. "Jeg liker Vonnegut's is ni," sier Chaplin, men på sin hjemmeside forsikrer han at denne fiktive versjonen "heldigvis ikke har noen vitenskapelig grunnlag." (Den virkelige isen IX er bare en tettere versjon av is III, og kan egentlig ikke eksistere sammen med flytende vann, eller forårsake en isete apokalypse).
Forskere oppdager fortsatt nye typer is med noe regelmessighet, med mange mer sannsynlig å komme. I februar 2016 foreslo kjemisk professor Xiao Cheng Zeng at en ny lav tetthetsis VIII kan eksistere (selv om den ennå ikke er laget), som kan være den laveste tettheten isen der er. Mens Chaplin sier at vi ikke har mulighetene til å finne noen av de ekstreme høytryksisene ennå, fortsetter forskerne fortsatt å lete etter dem.
Neste gang du lager din favoritt isete drikk bare for å se i forferdelse som det smelter minutter senere, husk at et sted i universet ville den samme isen finne en måte å holde seg kult under press.
Oppdatering 3/1: Vi opprinnelig referert til is-ni eller IX, som IV. Vi beklager feilen.