10 دقیقه
در اعماق داخلی یورانوس و نپتون، آب رفتاری نشان میدهد که با تجربههای زمینی کاملاً متفاوت است. تحت فشارها و دماهای بسیار بالا این ماده به پدیدهای بلوری، داغ و هادی الکتریکی تبدیل میشود—«آب سوپرآیونیک»—و نتایج آزمایشگاهی تازه نشان میدهد که شبکهٔ درونی پرآشفتگی آن میتواند توضیحی برای میدانهای مغناطیسی عجیب این سیارات ارائه کند.
تصویری که ساختار بلوری آب سوپرآیونیک را نشان میدهد و چگونگی قرارگیری آن در داخل سیارات غول یخی را انعکاس میدهد.
آب سوپرآیونیک چیست و چرا اهمیت دارد
در شرایط معمولی، آب بین حالتهای مایع، جامد (یخ) و گاز نوسان میکند. اما تحت فشارهایی معادل میلیونها اتمسفر و دماهایی در حد هزارها کلوین، آب وارد یک رژیم کاملاً متفاوت میشود: اتمهای اکسیژن در یک شبکهٔ بلوری جامد قفل میشوند، در حالی که هستههای بسیار کوچکتر هیدروژن (پروتونها) متحرک شده و از میان ساختار جاری میشوند و جریان الکتریکی را حمل میکنند. این حالت را آب سوپرآیونیک مینامند. از نظر ظاهری شبیه یک جامد است اما در بسیاری از ویژگیها همچون یک هادی یونی عمل میکند—نیمه جامد و نیمه سیال.
دانشمندان سیارهای مدتها گمان میبردند که آب سوپرآیونیک نقش محوری درون غولهای یخی دارد. فضاپیمای ویجر 2 میدانهای مغناطیسی اطراف یورانوس و نپتون را با شیفت، ناهممرکزی و مایلبودن غیرمعمول اندازهگیری کرد. آن امضاهای مغناطیسی با میدانهای دیپولی سادهای که از هستهٔ مایع آهنی زمین تولید میشود سازگار نیستند. پژوهشگران پیشنهاد دادهاند که لایههای هادی الکتریکی از آب سوپرآیونیک میتوانند مغناطیس آشفتۀتری تولید کنند. با این حال، ساختار ریزمقیاس آن لایهٔ سوپرآیونیک—نحوهٔ چیدمان اتمهای اکسیژن و چگونگی حرکت پروتونها—تا تازهترین زمانها صرفاً در حد تئوری باقی مانده بود.
چگونه پژوهشگران شرایط هستهٔ سیاره را در آزمایشگاه شبیهسازی کردند
تیمی از آزمایشگاه شتابدهندهٔ ملی SLAC و سوربن شواهد تجربی را در مجلهٔ Nature Communications گزارش کردند که نشان میدهد ساختار درونی آب سوپرآیونیک بسیار نامرتبتر از آن است که بسیاری از مدلها فرض میکردند. تولید این فاز عجیب در آزمایشگاه از نظر فنی پیچیده است: پژوهشها نمونههای ریز آب را بین سندانهای الماس فشرده میکنند تا به فشارهایی نزدیک به 1.8 میلیون اتمسفر برسند، سپس با لیزرهای پالسی آنها را تا حدود 2,500 کلوین گرم میکنند. این شرایط تنها برای فمتوثانیهها پایدار میماند قبل از آنکه نمونه آرام شود، بنابراین تیم از پالسهای پرتوان اشعهٔ ایکس برای ثبت تصاویر پراش بهصورت تقریباً آنی استفاده کرد.
پراش اشعهٔ ایکس روش استاندارد برای ترسیم موقعیتهای اتمی درون بلورهاست: آرایشهای متفاوت شبکهای اشعهٔ ایکس را به الگوهای مشخصی پراکنده میکنند. انتظار میرفت انتقالی تمیز بین شبکههای منظم مانند مکعبی مرکز-دار (BCC) یا مکعبی صورت-مرکزی (FCC) رخ دهد، جایی که اتمهای اکسیژن در مراکز یا روی سطوح مکعب قرار میگیرند. اما دادههای پراش الکترونی و ایکس نشان دادند که الگوها همپوشان و مبهم هستند—ناحیههایی با چیدمان شبیه FCC که درهمتنیده با توالیهای بستهٔ شش ضلعی (HCP) و ناهنجاریهای دیگرند. بهاختصار: شبکهٔ اکسیژن نامنظم، پویا و چندفازی به نظر میرسید.
جزئیات فنی آزمایش شامل تنظیم دقیق زمانبندی پالسها، همگامسازی لیزر و منبع اشعهٔ ایکس، و تصحیح پسزمینهٔ پراش برای افت و پراکندگیهای نامربوط بود. تیم همچنین از مدلهای شبیهسازی اتمی و شبیهسازیهای دینامیک مولکولی برای تعبیر الگوهای پراش استفاده کرد تا بفهمد چه نوع ناپایداریها یا نقصهایی میتوانند نتایج مشاهدهشده را تولید کنند.
چگونه شبکهٔ نامرتب میتواند میدان مغناطیسی سیارات را توضیح دهد
چرا این بههمریختگی آزمایشگاهی برای میدانهای مغناطیسی غولهای یخی اهمیت دارد؟ میدانهای مغناطیسی از حرکت بارهای الکتریکی در سیالات هادی تولید میشوند. در هستهٔ زمین، یک لایهٔ نسبتاً همگن مایع آهنی میدان دیپولی (شمال-جنوب) تولید میکند. در نپتون و یورانوس، اگر منطقهٔ هادی یک پوستهٔ نازک و نامنظم از آب سوپرآیونیک با هدایت متغیر و هندسهٔ درونی متفاوت باشد، دیناموی حاصل میتواند غیر دیپولی، بهشدت مایل و جابهجا شده باشد—دقیقاً همان چیزی که ویجر 2 مشاهده کرد.
آزمایشهای مشترک SLAC و سوربن نشان داد که با تغییر فشار و دما، شبکهٔ سوپرآیونیک بهصورت تمیز بین انواع بلورها جابهجا نمیشود، بلکه میتواند میزبان حوزههای همپوشان و توالیهای استکینگ مخلوط باشد. این ناهمگونیهای درونی جریانهای محلی و الگوهای جریان ناپایدار در مقیاس سیارهای ایجاد میکنند و یک مسیر منطقی برای تولید میدانهای چندقطبی و نامنظم فراهم میآورند که در اندازهگیریهای میدانی ثبت شدهاست.
بهطور خاص، نواحی با رسانایی متفاوت یا مرزهای بین حوزهها میتوانند جریانهای گردابی موضعی تولید کنند که تأثیر آنها در هندسهٔ میدان بزرگمقیاس غالبتر از یک هستهٔ همگن خواهد بود. همچنین انتقال پروتونها در چنین ساختارهای پیچیدهای میتواند باعث بروز پاسخهای غیرخطی در برابر گرادیانهای دما و فشار شود که دیناموی مغناطیسی را بیشتر پیچیده میکند.
قابلیت اعتماد آزمایش و تکرار آزمایشها
در ابتدا الگوهای پراش نامنظم بهعنوان نویز یا خطای تجربی رد شدند. برای کنار گذاشتن احتمال وجود مصنوعات تجربی، پژوهشگران آزمایش را در یک تسریعکننده خطی دیگر در آلمان تکرار کردند؛ نتایج تطابق داشت. تغییرات فشار و دما شواهد سازگاری برای شبکههای همپوشان بهجای یک فاز بلوری کامل و یکپارچه فراهم کرد. این همسانی استدلال را تقویت میکند که شبکهٔ آشوبزده یک ویژگی ذاتی آب سوپرآیونیک تحت شرایط غولهای یخی است—نه یک خطای آزمایشگاهی گذرا.
همزمان، محققان حساسیت نتایج را در برابر پارامترهای تجربی از جمله خلوص نمونه، سایز محفظهٔ نمونه، و تنظیمات همدما سنجی بررسی کردند. آنها همچنین از تکنیکهای تکمیلی مانند تشدید همدوسی و اندازهگیریهای طیفسنجی برای اجتناب از سوگیری تفسیر استفاده کردند. این رویکرد چندوجهی اعتبار شواهد را تقویت کرد و امکان بحث علمی جدی دربارهٔ پیامدهای سیارهای را فراهم ساخت.
پیامدها برای سیارات فراخورشیدی و علم سیارهای
آب سوپرآیونیک ممکن است یک کنجکاوی نادر محدود به منظومهٔ شمسی نباشد. سیارات نوع غول یخی سهم قابلتوجهی از اجرامی هستند که تا کنون در میان سیارات فراخورشیدی شناسایی شدهاند و اگرچه سوگیریهای آشکارسازی فراوانی ظاهری آنها را افزایش میدهد، بسیاری از دنیاها احتمالاً درونیاتی با رژیمهای فشار-دما دارند که فازهای سوپرآیونیک را ترجیح میدهند. اگر چنین باشد، کهکشان ممکن است آب را در اشکال عجیب و فراوانتری نسبت به فازهای مایع و جامد آشنا روی زمین در خود جای دهد.
این موضوع در تفسیر اندازهگیریهای میدان مغناطیسی فراخورشیدی (که در مأموریتها و رصدخانههای آینده قابل استنتاج خواهد بود)، در مدلسازی انتقال گرما درون سیارات، و در فهم تکامل شیمیایی در اعماق سیارهها که در آن پروتونهای متحرک میتوانند واکنشهای شیمیایی فشار-بالا را تسهیل کنند، اهمیت عملی دارد. برای مثال، حرکت سریع پروتونها ممکن است مسیرهای واکنشی جدیدی را فعال کند که در فشارهای بالا گونههای شیمیایی ناشناخته یا ترکیبات فوقفشرده تولید میکنند.
بهعلاوه، دانستن اینکه یک سیاره دارای یک لایهٔ سوپرآیونیک مخلوط است میتواند در برآورد پویایی حرارتی و زمانگرمایش آن مؤثر باشد، که خود بر نرخ کنورژن انرژی و طول عمر میدان مغناطیسی تأثیر میگذارد—مواردی که برای ارزیابی قابلیت نگهداری اتمسفر و پایداری شرایط سطحی در مواردی که سطح قابل دسترسی است اهمیت دارد.
محدودیتهای آزمایش و سوالات باز
نمونههای آزمایشگاهی تنها برای فمتوثانیهها تحت شرایط شدید زنده میمانند—که بهمراتب کوتاهتر از بازههای زمانی سیارهای است. این واقعیت دو قطعیت مهم را مطرح میکند. اول، برخی فرآیندهای همگرایی که داخل یک سیاره طی میلیونها سال رخ میدهند ممکن است یک شبکهٔ نامنظم را به چیزی منظمتر تبدیل کنند. دوم، برعکس، آشفتگیهای مداوم و شار گرمایی داخل سیاره ممکن است نظم بلوری را همواره مختل کنند و آشفتگی را در طول زمانهای زمینشناسی حفظ کنند. هر دو سناریو ممکناند و ارتباط دادن تصاویر لحظهای فمتوثانیهای به دیناموهای پایدار سیارهای نیازمند مدلسازی بیشتر و آزمایشهایی با مدتزمان طولانیتر است.
سوالات باز دیگری نیز باقی میماند: چگونگی تأثیر ناخالصیهای شیمیایی مانند املاح یا آمونیاک، نقش ترکیبات پیچیدهتر یخی-شیمیایی در پایداری ساختارها، و اینکه مرزهای میان حوزههای بلوری چگونه در گسترههای بزرگتر رفتار میکنند. پاسخ دادن به این پرسشها نیازمند ترکیبی از نتایج تجربی دقیقتر، شبیهسازیهای چندمقیاسی، و مشاهدات فضایی با حساسیت بالاتر است.
بینشِ متخصصان
«این نتایج تصویر ما از درون غولهای یخی را بافتدارتر میکنند،» دکتر النا مارتینز، فیزیکدان سیارهای دانشگاه کلرادو، گفت (نظر برای زمینه ارائه شده). «آب سوپرآیونیک صرفاً یک لایهٔ بلوری منظم میانی نیست—بهنظر میرسد یک هادی پویا و وصلهوصلهای باشد. این نوع ناهمگونی دقیقاً همان چیزی است که میتواند میدانهای غیر دیپولی و خارج از مرکز را تولید کند که ما برای دههها در توضیحشان دچار مشکل بودهایم.»
دکتر مارتینز افزود که کارهای آیندهای که پراش آزمایشگاهی، شبیهسازیهای دیناموی با دقت بالا و رصدهای هدفمند امضاهای مغناطیسی فراخورشیدی را ترکیب کنند، به پر کردن خلأ بین آزمایشهای بسیار کوچک و کوتاهمدت و پدیدههای بزرگ و پایدار داخل سیارات کمک خواهد کرد.
چشماندازها و فناوریهای آینده
پیشرفتهای نزدیک در تسهیلات توان پالسی، منابع اشعهٔ ایکس با بازتکرار بالاتر، و بهبود تکنیکهای سندان الماس محققان را قادر خواهد ساخت تا دامنهٔ وسیعتری از فشارها و دماها را بپویند و رفتارهای گذرا را با وضوح زمانی بهتر نقشهبرداری کنند. ترکیب این دادهها با مدلهای محاسباتی انتقال پروتون و دیناموهای مغناطیهوهیدرودینامیکی میتواند کمّی کند که آیا بینظمیهای شبکه مشاهدهشده برای بازتولید هندسههای میدان مشاهدهشده کافی هستند یا خیر.
در نهایت، پیوند دادن فیزیک آزمایشگاهی با مأموریتهای سیارهای و بررسیهای تلسکوپی، فهم ما را از اینکه آب—که روی زمین برایمان آشناست—چگونه در عجیبترین و فراوانترین شکلهای کیهانیاش رفتار میکند، پالایش خواهد کرد. این روند تحقیقاتی میتواند مکانیزمهای تازهای از تولید میدان مغناطیسی، انتقال گرما و چگونگی تکامل داخلی سیارات را آشکار سازد و راهنمایی برای طراحی مأموریتهای آینده و تفسیر دادههای رصدی فراهم آورد.
منبع: sciencealert
نظرات
نووا_س
نقد من: ترکیب آزمایش و شبیهسازی لازمه، اما سوالای زیادی مونده، ناخالصیها و زمانمقیاسها رو باید روشن کنن...
کوینپ
شاید کمتر از حد تبلیغ شده باشه، شاید هم دارن بزرگش میکنن؛ با این حال اگر درست باشه، تاثیرش رو روی مدلهای فراخورشیدی نمیشه نادیده گرفت.
ابرنور
یاد آزمایشای دانشکده افتادم، همهچی به هم میریخت و کلی سر و صدا بود، این آشفتگی توی مقیاس بزرگتر ایدهپردازیه، اما هنوز ملموس نیست
حمید
اینکه نمونه فقط برای فمتوثانیه پایدار بمونه برام سواله، واقعا میشه رفتارهای کوتاهمدت رو به ساختارهای میلیون ساله سیارهها ربط داد؟ من کمی شک دارم، ولی جالبه
رودکس
معلومه، منطقی به نظر میاد. لایههای ناهمگن میتونن دینامو رو به هم بریزن، اما نیاز به دادهٔ بیشتره، ساده نیست.
بیونیکس
واقعا؟ آب میتونه هم بلوری باشه هم هادی؟! این تصویر ذهنم رو کامل عوض کرد، مخصوصا ایدهٔ حوزههای همپوشان، فکرشو نمیکردم...
ارسال نظر