کشف آبی عجیب در اعماق سیاره‌های غول‌پیکر

برگردان: احسان سنایی

چیست آن که زرد است؛ هم جامد است و هم مایع؟ خب آب! منتها در شکل و قیافه‌ی شگفتی که ظاهراً آن را فقط از ژرفای اورانوس و نپتون می‌توان دید و لمس کرد. ممکن هم هست که همین ماده‌ی عجیب، علت میدان نامتعارف مغناطیسی این دو سیاره را برای‌مان توجیه کند.

نپتون از دید کاوشگر ویجر/ناسا

شبیه‌سازی‌های صورت‌پذیرفته در سال ۱۹۹۹و آزمایش‌های سال ۲۰۰۵، نشان دادند که این آب، احتمالاً در فشار و دمای شدید، صورتی هم جامد و هم مایع دارد. تحت چنین شرایطی، اتم‌های اکسیژن و هیدروژن موجود در مولکول‌های آب، یونیزه می‌شوند و یون‌های اکسیژن تشکیل ساختار بلورین شبکه‌مانندی می‌دهند و یون‌های هیدروژن نیز قادر به حرکت آزادانه هم‌چون مایعات، میان این شبکه می‌شوند. این آب «فرایونی» (Superionic)، در دماهای بالای دوهزار درجه‌ی سلسیوس ایجاد می‌شود و ظاهری زردرنگ دارد.

با وجود فشار و دمای گسلنده‌ی موجود در قلمرو اعماق اورانوس و نپتون، این سیارات، میزبان ایده‌آلی برای ایجاد چنین نوعی از آب‌ هستند، اما این‌که آیا واقعاً این گفته صحت دارد، یا این‌که چقدر آب فرایونی را می‌توان در آنجا یافت، هنوز به‌واسطه‌ی عدم قطعیت دما و فشار لازم برای تولید این ماده، آشکار نشده است.

با این‌حال، هم‌اکنون دقیق‌ترین مدل‌های رایانه‌ای موجود که توسط تیمی به سرپرستی دکتر «رونالد ردمر» (Ronald Redmer) از دانشگاه راستوک آلمان ایجاد شده‌اند، امکان وجود لایه‌ای از این ماده‌ی شگفت‌انگیز در اعماق هر دوی این سیارات را پیش کشیده‌اند. شبیه‌سازی‌ها، شدیدترین شرایط موجود در هر دو سیاره را با دمایی بالاتر از شش‌هزار درجه‌ی سلسیوس و فشار بالغ بر هفت میلیون برابر فشار جوی زمین، در نظر گرفته و نشان داده‌اند که لایه‌ای از آب فرایونی، بایستی جایی مابین هسته‌ی سنگی و نیمی از شعاع این دو سیاره، وجود داشته باشد.

این پیش‌بینی، به‌خوبی مطابق با پژوهشی در سال ۲۰۰۶به سرپرستی «سابین استنلی» (Sabine Stanley) از دانشگاه تورنتوی کانادا و «جرمی بلوکسام» (Jeremy Bloxham) از دانشگاه هاروارد است که در تلاش برای حل معمای میدان مغناطیسی شگفت هردوی این سیارات، صورت پذیرفته بود. از آنجایی که میدان مغناطیسی زمین همانند یک آهن‌ربای میله‌ای‌ست، در اورانوس و نپتون اما بخش‌هایی از سطح سیاره، میدان‌هایی با قطبش معکوس دارند.

پژوهش استنلی و بلوکسام نشان می‌داد که درون هر دوی این سیارات، لایه‌ای باریک از ماده‌ای با قابلیت رسانایی الکتریکی وجود دارد که مدام در حرکت است و از این‌رو تولید میدان مغناطیسی می‌کند. این لایه‌ی رسانا، می‌تواند همان آب فرایونی باشد که در آن مولکول‌ها، به یون‌های اکسیژن و هیدروژن شکسته شده‌اند. این پژوهش هم‌چنین نشان از عدم توانایی این لایه‌ی رسانا، در نفوذ به اعماق بیشتر از نصف شعاع سیارات می‌داد. اگر این مانع وجود نداشت و این لایه‌ هم از اینها گسترده‌تر می‌شد، آن‌گاه ایجاد میدان متعارف‌تری، همانند همان آهن‌ربای غول‌پیکر می‌کرد.

گذار از وضعیت همرفتی به ناهمرفتی در این اعماق که پیش‌تر توسط استنلی و بلوکسام محاسبه شده بود، در اینجا در نسبت با یافته‌های جدید بی‌ربط می‌نماید؛ چراکه در اینجا آب فرایونی، فقط با جریان یون‌های هیدروژن است که رسانایی می‌یابد. پس یا حتماً عاملی می‌باید این آب را از حرکت بازدارد تا میدان مغناطیسی سیاره را آنگونه که ما می‌بینیم، شکل دهد؛ یا اینکه سازوکار همرفت، در اعماق این دو سیاره به‌شدت متفاوت است.

طبق یک احتمال، آب فرایونی بیشتر نسبت به تابش مادون‌قرمز (یا گرما) شفافیت دارد. الکترون‌های موجود در این نوع از آب، می‌توانند تابش مادون‌قرمز را جذب کنند، اما بر اساس شبیه‌سازی‌ها، آنها تمایل بیشتر به حضور در کنار اتم‌های اکسیژن دارند. همین امر آنها را نسبت به عبور گرما، شفاف‌تر می‌کند. بدین‌ترتیب این ویژگی، انتقال گرما از هسته‌ی سیارات به سمت لایه‌های بیرونی را با تابش از میان آب فرایونی آسان‌تر می‌کند و دیگر التزامی نیست که همچون دیگر سیارات گازی این گرما زیر لایه‌ها انباشته شود و مکانیسم پیچیده‌تر «همرفت» را موجب شود.

«لارنس فرید» (Laurence Fried) از آزمایشگاه ملی «لارنس لیورمور» کالیفرنیا که به‌شدت تحت تأثیر این یافته قرار گرفته، می‌گوید: «این مرز نوینی‌ست که نوید کشفیات فراوانی از ساختار سیارات را به ما می‌دهد.»

منبع:NewScientist

در همین زمینه:

زمانه؛ دی‌ماه 88 - «اقیانوس الماس؛ زیر سطح نیلگون نپتون»