بارش الماس و اقیانوس های عجیب: کشف راز سیارات یخی منظومه شمسی!

بارشِ الماس و آبِ فوق یونی: یه تئوریِ نو دربارهٔ سیاره‌های یخ‌زده

بارش الماس؟! آبِ فوقِ یونی؟! اینا فقط دو تا پیشنهادن از طرفِ دانشمندای متخصصِ سیاره‌شناسی که می‌خوان بگن زیرِ جوهای ضخیمِ آبی‌رنگِ هیدروژن و هلیومِ سیارات اورانوس و نپتون، چخبره؛ دو تا غولِ یخی و بی‌همتای منظومهٔ شمسیِ ما. یه دانشمندِ سیاره‌شناس از دانشگاهِ کالیفرنیا، برکلی، الان یه تئوریِ جایگزین ارائه داده: این‌که داخلِ این دو تا سیاره طبقه‌بندی شده، لایه لایه است و این لایه‌ها، مثلِ روغن و آب، با هم قاطی نمی‌شن. این ساختار خیلی خوب توضیح می‌ده چرا میدان‌های مغناطیسیِ این سیارات، عجیب و غریبه‌ست و نشون می‌ده که تئوری‌های قبلی‌شون دربارهٔ داخلِ اینا، احتمالاً درست نبوده.

تو یه مقاله‌ای که همین هفته تو مجلهٔ Proceedings of the National Academy of Sciences چاپ شده، بورکارد میلیتزر داره استدلال می‌کنه که یه اقیانوسِ عمیق از آب، درست زیرِ لایه‌های ابری قرار داره و زیرِ اون، یه مایعی هست با فشردگیِ زیاد از کربن، نیتروژن و هیدروژن. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشون می‌ده که زیر دماها و فشارهایی که داخلِ سیارات هست، ترکیبِ آب (H2O)، متان (CH3) و آمونیاک (NH3) به‌طور طبیعی به دو تا لایهٔ جدا از هم تقسیم می‌شه، که دلیلِ اصلیش اینه که هیدروژن از متان و آمونیاک که بخشِ عمده‌ای از درونِ عمیق رو تشکیل می‌دن، بیرون می‌ره. این لایه‌هایی که با هم قاطی نمی‌شن، توضیح می‌دن که چرا نه اورانوس و نه نپتون، میدان مغناطیسیِ شبیه زمین ندارن. این یکی از کشفای حیرت‌انگیز دربارهٔ غول‌های یخ‌زدهٔ منظومهٔ شمسیِ ما بود که توسط ماموریتِ وویجر 2 توی اواخرِ دههٔ 1980 انجام شد.

میلیتزر، استادِ علومِ زمین و سیارات در دانشگاهِ کالیفرنیا، برکلی، گفت: “ما الان یه تئوریِ خوب داریم که توضیح می‌ده چرا اورانوس و نپتون، میدان‌های خیلی متفاوتی دارن و این خیلی با زمین، مشتری و زحل فرق داره. قبلاً اینو نمی‌دونستیم. انگار روغن و آبه، با این تفاوت که روغن می‌ره پایین، چون هیدروژن ازش جدا می‌شه.”

میلیتزر اضافه کرد که اگه بقیهٔ سیستم‌های ستاره‌ای هم ترکیبِ مشابهی با سیستمِ ما داشته باشن، غول‌های یخ‌زده دور و بر اون ستاره‌ها هم، ممکنه ساختارِ داخلیِ مشابهی داشته‌ باشن. سیاراتی به اندازهٔ اورانوس و نپتون، که بهشون می‌گن سیاره‌های زیرِ نپتونی، جزوِ رایج‌ترین سیاراتِ فراخورشیدی هستن که تا حالا کشف شدن.

حرکتِ همرفتی و میدان‌های مغناطیسی

وقتی یه سیاره، از سطحش رو به پایین سرد می‌شه، موادِ سرد و متراکم به سمتِ پایین می‌رن، درحالی‌که توده‌های مایعِ داغ‌تر، مثل آبِ درحالِ جوش، به سمتِ بالا میان – این فرایند رو می‌گن همرفتی. اگه داخلِ سیاره، خاصیتِ هدایتِ الکتریکی داشته باشه، یه لایهٔ ضخیم از موادِ همرفتی، میدانِ مغناطیسیِ دوقطبی (مثلِ میدانِ یه آهن‌ربا) تولید می‌کنه. میدانِ دوقطبیِ زمین، که توسط هستهٔ مایعِ آهنیِ بیرونی‌ش ایجاد می‌شه، یه میدانِ مغناطیسی تولید می‌کنه که از قطبِ شمال به قطبِ جنوب وصل می‌شه و به همین خاطره که قطب‌نماها، قطبا رو نشون می‌دن.

ولی وویجر 2 فهمید که هیچ‌کدوم از این دوتا غولِ یخی، همچین میدانِ دوقطبی‌ای ندارن و فقط میدان‌های مغناطیسیِ نامنظم وجود داره. این نشون می‌ده که در عمقِ سیارات، هیچ حرکتِ همرفتی‌ای توی یه لایهٔ ضخیم وجود نداره. برای این‌که این مشاهدات رو توضیح بدن، دو تا گروهِ تحقیقاتی، بیشتر از 20 سال پیش پیشنهاد دادن که این سیارات باید لایه‌هایی داشته باشن که نمی‌تونن با هم قاطی بشن و درنتیجه، از همرفتِ بزرگ‌مقیاس و میدانِ مغناطیسیِ دوقطبیِ جهانی جلوگیری می‌کنن. با این حال، همرفت تو یکی از این لایه‌ها می‌تونه میدانِ مغناطیسیِ نامنظم تولید کنه. ولی هیچ‌کدوم از این گروه‌ها نتونستن توضیح بدن که این لایه‌هایی که با هم قاطی نمی‌شن، از چی تشکیل شدن.

تحقیقاتِ جدید دربارهٔ لایه‌های سیاراتِ اورانوس و نپتون

ده سالِ پیش، میلیتزر کلی تلاش کرد تا یه مشکلی رو حل کنه که مربوط می‌شد به شبیه‌سازیٔ کامپیوتریِ حدودِ 100 اتم با نسبت‌های کربن، اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن، که ترکیبِ شناخته‌شدهٔ عناصر تو اوایلِ منظومهٔ شمسی رو نشون می‌داد. تو فشارهایی و دماهایی که براساسِ پیش‌بینی‌ها، قرار بود توی سیارات باشه — ۳٫۴ میلیون برابر فشارِ جویِ زمین و ۴۷۵۰ کلوین (۸۰۰۰ درجهٔ فارنهایت) — او نتونست راه‌حلی پیدا کنه که لایه‌ها تشکیل بشن. ولی سالِ قبل، با کمکِ یادگیریِ ماشین، تونست یه مدلِ کامپیوتری رو شبیه‌سازی کنه که رفتارِ ۵۴۰ اتم رو نشون می‌داد و با تعجب دید که لایه‌ها به‌طور طبیعی، وقتی اتم‌ها گرم و فشرده می‌شن، شکل می‌گیرن. اون گفت: “یه روز به مدل نگاه کردم و دیدم که آب از کربن و نیتروژن جدا شده. چیزی که ۱۰ سال پیش نمی‌تونستم انجام بدم، الان داشت اتفاق می‌افتاد.” او ادامه داد: “فکر کردم، ‘وای! حالا می‌دونم چرا لایه‌ها دارن تشکیل می‌شن: یکی پر از آب و دیگری پر از کربنه و تو اورانوس و نپتون، سیستمِ غنی از کربن پایینه. قسمتِ سنگینه پایین می‌مونه و قسمتِ سبک بالا و نمی‌تونه جابه‌جا شه.'”

او اضافه کرد: “بدون این‌که یه سیستمِ بزرگ از اتم‌ها داشته باشم، نمی‌تونستم اینو کشف کنم و اون سیستمِ بزرگ رو ۱۰ سال پیش نمی‌تونستم شبیه‌سازی کنم.” مقدارِ هیدروژنی که تحت فشار و عمق بیرون می‌ره، با افزایشِ فشار و عمق زیاد می‌شه و یه لایهٔ پایدار از کربن-نیتروژن-هیدروژن درست می‌کنه، تقریباً مثل یه پلیمرِ پلاستیکی. درحالی‌که لایهٔ بالایی که پر از آبـه‌، احتمالاً به‌خاطرِ تولیدِ میدانِ مغناطیسیِ نامنظمی که دیده شد، جابه‌جا می‌شه، لایهٔ عمیق‌تر و پر از هیدروکربن نمی‌تونه این کارو انجام بده.

وقتی اون گرانشِ تولیدشده توسطِ اورانوس و نپتون رو مدل‌سازی کرد، میدان‌های گرانشی، تقریباً با اون چیزی که ۴۰ سال پیش توسط فضاپیمای وویجر ۲ اندازه‌گیری شده بود، مطابقت داشت. اون گفت: “اگه از همکارام بپرسید، ‘به نظرتون چه‌جوری میدان‌های اورانوس و نپتون توجیه می‌شن؟’ ممکنه بگن، ‘خب، شاید این بارشِ الماس باشه، ولی شاید این خاصیتِ آب باشه که ما بهش می‌گیم فوق یونی.” او ادامه داد: “از نظرِ من، این قابلِ قبول نیست. ولی اگه این جداسازی به دوتا لایهٔ جدا باشه، باید اون رو توضیح بده.”

میلیتزر پیش‌بینی می‌کنه که زیرِ جوِ ۳۰۰۰ مایلی اورانوس، یه لایهٔ پر از آب به ضخامتِ تقریباً ۵۰۰۰ مایل و زیرِ اون، یه لایهٔ غنی از هیدروکربن هم به ضخامتِ حدودِ ۵۰۰۰ مایلی وجود داره. هستهٔ سنگی‌ش هم به اندازهٔ سیارهٔ عطارده. اگرچه نپتون، از اورانوس بزرگ‌تره، ولی قطرش کوچیک‌تره و جوی نازک‌تر داره، ولی لایه‌های پر از آب و هیدروکربنِ اون هم، به همین اندازه ضخیم‌ن. هستهٔ سنگیِ نپتون، یکم از هستهٔ اورانوس بزرگ‌ترـه و تقریباً به اندازهٔ سیارهٔ مریخه.

اون امیدوارـه بتونه با همکارایی کار کنه که بتونن با آزمایش‌های آزمایشگاهی، تو دماها و فشارهای خیلی بالا، بررسی کنن که آیا لایه‌ها، تو مایعات با نسبت‌های عناصرِ موجود در سیستمِ پروتوسولار تشکیل می‌شن یا نه. یه ماموریتِ پیشنهادیِ ناسا به اورانوس هم می‌تونه تأییدکننده باشه، اگه فضاپیما، یه تصویرگرِ داپلر داشته باشه تا ارتعاشاتِ سیاره رو اندازه‌گیری کنه. میلیتزر گفت: “یه سیارهٔ لایه‌ای، با فرکانس‌های متفاوتی نسبت به یه سیارهٔ جابه‌جا‌شونده، ارتعاش می‌کنه.” پروژهٔ بعدی‌ش استفاده از مدلِ محاسباتی‌ش خواهد بود تا تفاوت‌های ارتعاشِ سیاره‌ای رو محاسبه کنه. این تحقیق توسطِ بنیادِ ملیِ علوم (PHY-2020249) به‌عنوان بخشی از مرکزِ ماده در فشارهای اتمی حمایت می‌شه.