9 دقیقه
مدلسازی جدید پژوهشگران دانشگاه زوریخ و NCCR PlanetS نشان میدهد که اورانوس و نپتون — که مدتها با عنوان «غولهای یخی» شناخته شدهاند — ممکن است در واقع درونیاتی غنی از مواد سنگی و فرآیندهای همرفتی فعال داشته باشند. اگر این تفسیر جایگزین تأیید شود، نحوهٔ دستهبندی سیارات بیرونی و توضیح برخی ویژگیهای مبهم مانند میدانهای مغناطیسی نامتعارف آنها دگرگون خواهد شد.
بازاندیشی در برچسب «غولهای یخی»
برای دههها دانشمندان سیارهای، سیارات سامانهٔ خورشیدی را به دستههای نسبتاً سادهای تقسیم کردهاند: سیارات کوچک و سنگی نزدیک به خورشید و غولهای بزرگ و غنی از گاز یا مواد فرّار فراتر از «خط سرما» (frost line). مشتری و زحل بهعنوان نمادهای غولهای گازی تعریف شدند، در حالی که اورانوس و نپتون بهعنوان «غولهای یخی» طبقهبندی شدند چون مدلهای سنتی فرض میکردند بخش قابل توجهی از ترکیب آنها شامل آب، متان و آمونیاک است — موادی که در فشارهای بسیار بالا به فرمهای یخی خاص تبدیل میشوند.
اما کار جدید لوکا مورف و راویت هلِد آن تصویر ساده را زیر سؤال میبرد. بهجای آغاز از پیشفرضهای قوی دربارهٔ ترکیب، گروه آنها هزاران پروفیل چگالی تصادفی برای اورانوس و نپتون تولید کردند و تنها آنهایی را نگه داشتند که با میدانهای گرانشی مشاهداتی و محدودیتهای جرم و شعاع سیارات همخوانی داشتند. این رویکرد ترکیبی از بیطرفی تجربی و سازگاری فیزیکی است که اجازه میدهد دادهها هدایت کنند کدام ساختارهای داخلی پذیرفتنی باقی بمانند.
تصاویر وویجر 2 از اورانوس (چپ) و نپتون. (NASA/JPL-Caltech)
چه تفاوتهایی در مدلها دیده میشود و پیامدهای آنها چیست
مدلهای UZH-NCCR نشان میدهند که بهترین تطبیق با مشاهدات لزوماً به لایههای عظیم یخآب (water ice) مربوط نمیشود. در عوض، مقدار قابلتوجهی از مواد غنی از سنگ — سیلیکاتها و فلزات سنگینتر — میتواند میدانهای گرانشی اندازهگیریشده را بازتولید کند در حالی که همچنان جرم و شعاع را تطبیق میدهد. به عبارت دیگر، بسته به مفروضات مربوط به پروفیل چگالی و رفتار مواد در فشارهای فوقالعاده بالا، اورانوس و نپتون به همان اندازه میتوانند «غولهای سنگی» (rock giants) باشند که قبلاً آنها را «غولهای یخی» مینامیدند.
همرفت در برابر پایداری لایهای
یکی از نتایج مهم این مدلها جنبهٔ دینامیکی است: شبیهسازیها اجازهٔ مخلوطشدن همرفتی در درون سیارات را میدهند. همرفت فرایندی است که در آن مادهٔ گرم و سبکتر بالا میآید و مادهٔ سردتر و سنگینتر فرو میرود؛ این مکانیزم یکی از موتورهای اصلی انتقال حرارت در گوشتهٔ زمین و درون ستارگان است. اگر اورانوس و نپتون از همرفت عمیق پشتیبانی کنند، درون آنها بهجای ساختارهای ثابت و لایهای، مرتباً بازچرخیده و بازیافت میشود — سناریویی که مسیر تکامل حرارتی، توزیع عناصر سنگین و نیز تولید میدان مغناطیسی (دینامو) را متحول میکند.
تفکیک بین حالتِ «لایهای و پایدار» و «همرفتی و آشفته» پیامدهای قابلتوجهی برای انتقال گرما، زمانبندی سرد شدن سیارات و توزیع مواد سنگین در عمق دارد. مدلهای سنتی که لایهبندی قوی را فرض میکردند، اغلب نرخهای متفاوتی از خروج گرما و رفتار میدان مغناطیسی پیشبینی میکردند؛ در حالی که وجود همرفت عمیق میتواند توجیهی برای برخی اختلافات میان مشاهدات و پیشبینیهای قبلی باشد. همچنین، حضور همرفت فعال میتواند نشان دهد که ترکیب داخلی آنها همگنتر است و عنصرهای سنگینتر ممکن است در پوستۀ داخلی پراکنده باشند نه اینکه صرفاً در یک هستهٔ متمرکز جمع شده باشند.
میدانهای مغناطیسی و «آب یونی»
مدلهای جدید همچنین توضیح قانعکنندهای برای میدانهای مغناطیسی عجیب اورانوس و نپتون ارائه میدهند. هر دو سیاره میدانهایی دارند که بهشدت غیر-دوقطبی، مایل و چندقطبی هستند؛ یعنی خطوط میدان در آنها مجموعهٔ قطبهای متعدد و هندسههای پیچیدهای را نشان میدهد. ساختارهای داخلی پیشنهادی مورف و هلِد میتواند شامل لایههایی از آب با فشار بالا باشد که به حالت یونیزهٔ هدایتکنندهٔ الکتریکی («آب یونی» یا ionic water) در میآیند و در آنها فعالیت دینامو رخ میدهد. قرارگیری منطقهٔ دینامو خارج از مرکز و در پوستههای لایهای میتواند بهطور طبیعی میدانهای چندقطبی و غیرمتقارن مشاهدهشده را تولید کند.
محاسبات آنها همچنین نشان میدهد که لایهٔ دیناموی اورانوس ممکن است عمیقتر از نپتون قرار داشته باشد — تفاوت ساختاری ظریفی که میتواند به توضیح تفاوتهای میدان مغناطیسی بین این دو سیاره کمک کند. این نتیجه پیامدهایی برای چگونگی تشکیل و تکامل ترکیب درونی دارد: اگر لایهٔ هادی الکتریکی در یک سیاره عمیقتر باشد، شرایط فشار و دما در آن ناحیه متفاوت خواهد بود که به نوبهٔ خود ویژگیهای دینامیک و فرایندهای ترمودینامیکی را تغییر میدهد.
چرا این یافتهها برای علوم سیارهای و مأموریتهای آینده اهمیت دارند
تنها وویجر 2 تاکنون از نزدیک اورانوس و نپتون را بازدید کرده است و این عبورهای کوتاه در سالهای 1986 و 1989 پاسخهای بسیاری را باز گذاشتهاند. بدون دادههای دقیقتر دربارهٔ هارمونیکهای گرانشی، میدانهای مغناطیسی و ترکیب جو از سوی مدارگردها یا کاوشگرهای اختصاصی، مدلهای درونی همچنان کمتر محدود شده و سناریوهای متعددی ممکن باقی میمانند. مطالعهٔ UZH-NCCR نشان میدهد که نتیجهگیریها چقدر به مفروضات مدل وابستهاند و بر بازدهٔ علمی مأموریتهای آتی که میتوانند هارمونیکهای گرانشی، میدانهای مغناطیسی در عرضهای مختلف و ترکیب جوی را با دقت بالاتر بسنجند، تأکید میکند.
از منظر عملیاتی، اندازهگیری هارمونیکهای گرانشی تا درجهٔ بالا (مثلاً J2, J4 و مؤلفههای بالاتر) و نقشهبرداری میدان مغناطیسی با دقت فضایی و زمانی بالا میتواند ساختار چگالی داخلی، توزیع مواد سنگین و موقعیت احتمالی منطقهٔ دینامو را محدود کند. اندازهگیری خروجی گرمای داخلی یا گرادیان دمایی از طریق مشاهدات طولانیمدت نیز میتواند بین سناریوهای همرفتی و لایهای تمایز قائل شود. بنابراین، مأموریتهایی شامل مدارگردهای چندابزاری یا فرودگرها/کاوشگرهای اتمسفری که ترکیب ایزوتوپی و فراوانیها را تحلیل کنند، در اولویت قرار دارند.
علاوه بر طبقهبندی درونیِ سامانهٔ خورشیدی، این بحث برای مطالعهٔ سیارات فراخورشیدی نیز اهمیت دارد. سیاراتی با اندازهٔ اورانوس و نپتون در اطراف دیگر ستارگان فراوان هستند و تفسیر شعاعها و جرمهای آنها نیازمند مدلهایی برای ترکیب درونی و تاریخچهٔ حرارتی است. اگر درونیات غنی از سنگ در چنین سیاراتی شایعتر از آنچه پیشتر تصور میشد باشد، این موضوع بر برآوردهای ذخایر فرّار، مسیرهای شکلگیری و فرایندهای مرتبط با قابلیت سکونت در لبههای بیرونی سامانههای سیارهای تأثیر خواهد گذاشت. علاوه بر این، دانستن اینکه چه مقدار از جرم سیاره در قالب سنگ و فلزات پخش شده یا متمرکز است، معیاری برای فهم سناریوهای تشکیل — مانند تجمع هستهای و انتقال گازی — فراهم میآورد.
دیدگاه کارشناسان
«تفکیک میان غولهای یخی و غولهای سنگی ممکن است بیشتر معنایی باشد تا واقعی،» دکتر النا پارک، دانشمند سیارهای که در این مطالعه دخیل نبوده میگوید. «آنچه برای تکامل سیارهای و دیناموی مغناطیسی اهمیت دارد این است که مواد در فشارهای صدها گیگاپاسکال چگونه رفتار میکنند و آیا گرما میتواند از عمق فرار کند یا خیر. این مدلهای بیطرف جدید ما را وادار میکنند کمتر با برچسبها فکر کنیم و بیشتر بر ساختارهای قابل اندازهگیری تمرکز کنیم — مسألهای که تنها مأموریتهای هدفمند میتوانند روشن سازند.»
نکتهٔ کلیدی از منظر اِعمال علمی این است که مدلسازیهای آماری و «هنجارزدایی» از پیشفرضهای ترکیبی، ابزاری قوی برای آزمون طیف گستردهای از ساختارهای محتمل فراهم میکند. این رویکرد شباهتهایی به روشهای برگرفته از علوم داده دارد که در آن با نمونهگیری گسترده از فضای پارامتری، نواحی قابلپذیرش شناسایی میشوند و سپس برای تحلیلهای عمیقتر اولویتبندی میگردند. این روش میتواند در طراحی مأموریتها نیز کاربردی باشد — بهعنوان مثال تعیین کند چه اندازهگیریهایی کمترین عدمقطعیت را در تعیین ترکیب داخلی خواهند داشت.
نتیجهگیری
کار مورف و هلِد الزاماً اورانوس و نپتون را بهطور قاطع «غول سنگی» نامگذاری نمیکند، اما پرسش را بازتعریف میکند. با حذف پیشفرضهای سنگین و واگذاری شکلگیری راهحلهای داخلی به قیدها و مشاهدات، این مطالعه سناریوهای جایگزین و فیزیکیسازگار را باز میکند که با برخی از نابهنجاریهای سیارات — مانند میدانهای مغناطیسی آنها — بهتر همخوانی دارند. نتایج این پژوهش پروندهٔ قویتری برای مأموریتهای اختصاصی اورانوس و نپتون ایجاد میکند تا دادههای گرانشی، مغناطیسی و جوی لازم برای روشنساختن این پرسش را جمعآوری کنند: آیا این دنیاهای بیرونی بازماندههایی یخی هستند یا اجسام سنگین و همرفتی — یا ترکیبی از هر دو؟
در نهایت، پیشرفت در آزمایشهای تجربی مواد در فشارهای فوقالعاده بالا (آزمایشهای فشاری لیزری و یا استفاده از سلولهای سندان الماسی برای بررسی خواص آب، آمونیاک و متان در محدودهٔ میلیاردها پاسکال) در کنار مدلسازیهای دقیقتر و مشاهدات فضاییِ آینده، مسیر روشنی برای کاهش عدمقطعیتها فراهم میآورد. ترکیب این سه رکن — آزمایشهای آزمایشگاهی، مدلسازی پیشرفته و مأموریتهای فضایی هدفمند — میتواند تصویر واقعگرایانهتری از ساختار درونی اورانوس و نپتون ارائه دهد و پاسخهایی به پرسشهایی دربارهٔ شکلگیری سیارات بزرگِ درونی و فراخورشیدی بدهد.
منبع: sciencealert
نظرات
کا_مکس
تو پروژهای روی خواص آب در فشار بالا کار کردم؛ واقعاً پیچیدهست. اگر مأموریت و آزمایش همزمان باشن بهتره 😊
داده_ای
یه کم اغراق شده بنظرم، ولی ایدهها جذابن. امیدوارم آزمایشهای فشاری و مشاهدات فضایی با هم بیان تا معلوم شه چی به چیه
سریعرو
خوبه که از پیشفرضها زدهان؛ این یعنی مأموریتهای آتی کلی ارزش دارن. اما هزینه و زمان رو هم نباید دست کم گرفت، پیچیدهست.
لابکور
این واقعیه؟ یا مدلها خیلی وابسته به مفروضات هستن؟ باید هارمونیکهای گرانشی دقیقتر داشته باشیم، وویجر کافی نیست...
روداکس
وااای، یعنی احتمالا اورانوس و نپتون پر از سنگن؟ ذهنم منفجر شد، فکر نمیکردم چنین سناریویی بذارن رو میز!
ارسال نظر