رازهای نهفته در زیر سطح ساده اورانوس و نپتون واژه‌ای

بارش الماس و آب فوق یونی: نظریه‌ای جدید درباره سیارات یخ‌زده

بارش الماس؟ آب فوق یونی؟ این‌ها تنها دو پیشنهاد از سوی دانشمندان سیاره‌شناسی هستند که برای توضیح آنچه در زیر جوهای ضخیم و آبی‌رنگ هیدروژن و هلیوم سیارات اورانوس و نپتون، غول‌های یخ‌زده و منحصر به فرد منظومه شمسی ما، وجود دارد، مطرح شده‌اند. یک دانشمند سیاره‌شناسی در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، اکنون نظریه‌ای جایگزین پیشنهاد می‌کند: اینکه درون این دو سیاره لایه‌بندی شده است و این دو لایه، مانند روغن و آب، با هم مخلوط نمی‌شوند. این ساختار به‌خوبی توضیح می‌دهد که چرا میدان‌های مغناطیسی این سیارات غیرعادی هستند و نشان می‌دهد که نظریه‌های قبلی درباره درون آن‌ها احتمالاً نادرست‌اند.

در مقاله‌ای که این هفته در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده، برکارد میلیتزر استدلال می‌کند که یک اقیانوس عمیق از آب درست زیر لایه‌های ابری قرار دارد و زیر آن، مایعی با فشردگی بالا از کربن، نیتروژن و هیدروژن وجود دارد. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهند که تحت دماها و فشارهای موجود در درون سیارات، ترکیبی از آب (H2O)، متان (CH3) و آمونیاک (NH3) به‌طور طبیعی به دو لایه جداگانه تقسیم می‌شود، عمدتاً به این دلیل که هیدروژن از متان و آمونیاک که بخش عمده‌ای از درون عمیق را تشکیل می‌دهند، خارج می‌شود. این لایه‌های غیرقابل اختلاط توضیح می‌دهند که چرا نه اورانوس و نه نپتون میدان مغناطیسی مشابه زمین ندارند. این یکی از کشفیات شگفت‌انگیز درباره غول‌های یخ‌زده منظومه شمسی ما بود که توسط مأموریت وویجر 2 در اواخر دهه 1980 انجام شد.

میلیتزر، استاد علوم زمین و سیاره‌ای در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، گفت: “ما اکنون نظریه خوبی داریم که توضیح می‌دهد چرا اورانوس و نپتون میدان‌های بسیار متفاوتی دارند و این بسیار متفاوت از زمین، مشتری و زحل است. ما قبلاً این موضوع را نمی‌دانستیم. این مانند روغن و آب است، با این تفاوت که روغن به پایین می‌رود زیرا هیدروژن از دست می‌رود.”

میلیتزر افزود که اگر دیگر سیستم‌های ستاره‌ای ترکیب مشابهی با سیستم ما داشته باشند، غول‌های یخ‌زده در اطراف آن ستاره‌ها نیز ممکن است ساختار داخلی مشابهی داشته باشند. سیاراتی به اندازه اورانوس و نپتون، که به آن‌ها سیارات زیر نپتونی گفته می‌شود، از جمله رایج‌ترین سیارات فراخورشیدی کشف شده تا به امروز هستند.

حرکت همرفتی و میدان‌های مغناطیسی

هنگامی که یک سیاره از سطح خود به سمت پایین خنک می‌شود، مواد سرد و متراکم به سمت پایین می‌روند، در حالی که توده‌های مایع داغ‌تر، مانند آب در حال جوش، به سمت بالا می‌آیند – این فرآیند به نام همرفتی شناخته می‌شود. اگر درون سیاره دارای خاصیت هدایتی الکتریکی باشد، یک لایه ضخیم از مواد همرفتی میدان مغناطیسی دو قطبی مشابه با میدان یک آهنربا تولید خواهد کرد. میدان دو قطبی زمین، که توسط هسته مایع آهنی بیرونی‌اش ایجاد می‌شود، میدانی مغناطیسی تولید می‌کند که از قطب شمال به قطب جنوب می‌پیوندد و این دلیل است که قطب‌نماها به سمت قطب‌ها اشاره می‌کنند.

اما وویجر 2 کشف کرد که هیچ‌یک از دو غول یخ‌زده چنین میدان دو قطبی ندارند و تنها میدان‌های مغناطیسی نامنظم وجود دارد. این نشان می‌دهد که در عمق سیارات، هیچ حرکت همرفتی در یک لایه ضخیم وجود ندارد. برای توضیح این مشاهدات، دو گروه تحقیقاتی بیش از 20 سال پیش پیشنهاد کردند که این سیارات باید لایه‌هایی داشته باشند که نمی‌توانند با هم مخلوط شوند و در نتیجه از همرفت بزرگ‌مقیاس و میدان مغناطیسی دو قطبی جهانی جلوگیری می‌کنند. با این حال، همرفت در یکی از این لایه‌ها می‌تواند میدان مغناطیسی نامنظم تولید کند. اما هیچ‌یک از این گروه‌ها نتوانستند توضیح دهند که این لایه‌های غیرقابل اختلاط از چه چیزی تشکیل شده‌اند.

تحقیقات جدید درباره لایه‌های سیارات اورانوس و نپتون

ده سال پیش، میلیتزر بارها تلاش کرد تا مشکلی را حل کند که به شبیه‌سازی کامپیوتری حدود ۱۰۰ اتم با نسبت‌های کربن، اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن، که ترکیب شناخته‌شده عناصر در اوایل منظومه شمسی را منعکس می‌کرد، مربوط می‌شد. در فشارها و دماهای پیش‌بینی‌شده برای درون سیارات — ۳.۴ میلیون برابر فشار جوی زمین و ۴۷۵۰ کلوین (۸۰۰۰ درجه فارنهایت) — او نتوانست راهی برای تشکیل لایه‌ها پیدا کند. اما سال گذشته، با کمک یادگیری ماشین، او توانست مدلی کامپیوتری را شبیه‌سازی کند که رفتار ۵۴۰ اتم را نشان می‌داد و به تعجب او، دریافت که لایه‌ها به طور طبیعی در حین گرم شدن و فشرده شدن اتم‌ها تشکیل می‌شوند. او گفت: “یک روز به مدل نگاه کردم و دیدم که آب از کربن و نیتروژن جدا شده است. چیزی که ۱۰ سال پیش نمی‌توانستم انجام دهم، اکنون در حال وقوع بود.” او ادامه داد: “فکر کردم، ‘وای! حالا می‌دانم چرا لایه‌ها تشکیل می‌شوند: یکی غنی از آب و دیگری غنی از کربن است و در اورانوس و نپتون، سیستم غنی از کربن در پایین قرار دارد. قسمت سنگین در پایین باقی می‌ماند و قسمت سبک در بالا و نمی‌تواند جابجا شود.’

او افزود: “بدون داشتن یک سیستم بزرگ از اتم‌ها نمی‌توانستم این را کشف کنم و آن سیستم بزرگ را ۱۰ سال پیش نمی‌توانستم شبیه‌سازی کنم.” مقدار هیدروژنی که تحت فشار و عمق خارج می‌شود، با افزایش فشار و عمق افزایش می‌یابد و لایه‌ای پایدار از کربن-نیتروژن-هیدروژن تشکیل می‌دهد، تقریباً مانند یک پلیمر پلاستیکی. در حالی که لایه بالایی، که غنی از آب است، احتمالاً به منظور تولید میدان مغناطیسی نامنظم مشاهده‌شده جابجا می‌شود، لایه عمیق‌تر و غنی از هیدروکربن نمی‌تواند این کار را انجام دهد.

زمانی که او گرانش تولید شده توسط اورانوس و نپتون را مدل‌سازی کرد، میدان‌های گرانشی با آنچه که تقریباً ۴۰ سال پیش توسط فضاپیمای وویجر ۲ اندازه‌گیری شده بود، مطابقت داشت. او گفت: “اگر از همکارانم بپرسید، ‘به نظر شما چه چیزی میدان‌های اورانوس و نپتون را توضیح می‌دهد؟’ ممکن است بگویند، ‘خب، شاید این باران الماس باشد، اما شاید این خاصیت آب باشد که ما آن را فوق یونی می‌نامیم.'” او ادامه داد: “از دیدگاه من، این قابل قبول نیست. اما اگر این جداسازی به دو لایه جداگانه باشد، باید آن را توضیح دهد.”

میلیتزر پیش‌بینی می‌کند که در زیر جو ۳۰۰۰ مایلی اورانوس، لایه‌ای غنی از آب به ضخامت حدود ۵۰۰۰ مایل و در زیر آن لایه‌ای غنی از هیدروکربن نیز به ضخامت حدود ۵۰۰۰ مایل وجود دارد. هسته سنگی آن به اندازه سیاره عطارد است. اگرچه نپتون از اورانوس بزرگتر است، اما قطر آن کوچکتر است و جوی نازک‌تر دارد، اما لایه‌های غنی از آب و هیدروکربن آن نیز به همین اندازه ضخیم هستند. هسته سنگی نپتون کمی بزرگتر از هسته اورانوس است و تقریباً به اندازه سیاره مریخ است.

او امیدوار است که با همکارانی کار کند که بتوانند با آزمایش‌های آزمایشگاهی در دماها و فشارهای بسیار بالا بررسی کنند که آیا لایه‌ها در مایعات با نسبت‌های عناصر موجود در سیستم پروتوسولار تشکیل می‌شوند یا خیر. یک مأموریت پیشنهادی ناسا به اورانوس نیز می‌تواند تأیید کننده باشد، اگر فضاپیما یک تصویرگر داپلر برای اندازه‌گیری ارتعاشات سیاره داشته باشد. میلیتزر گفت: “یک سیاره لایه‌ای در فرکانس‌های متفاوتی نسبت به یک سیاره جابجا شونده ارتعاش می‌کند.” پروژه بعدی او استفاده از مدل محاسباتی‌اش برای محاسبه تفاوت ارتعاشات سیاره‌ای خواهد بود. این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم (PHY-2020249) به عنوان بخشی از مرکز ماده در فشارهای اتمی حمایت شده است.