یخی که فقط در دمای بسیار بالا ذوب می‌شود

به نقل از اس‌ای، چیزهای عجیبی درون سیاره‌ها اتفاق می‌افتد، جایی که مواد در معرض فشار و گرمای شدید قرار می‌گیرند. مثلا اتم‌های آهن احتمالاً درون هسته جامد درونی زمین می‌رقصند و همین طور یخ داغ، سیاه و سنگین که همزمان جامد و مایع است نیز احتمالاً در غول‌های گازی غنی از آب مانند اورانوس و نپتون شکل می‌گیرد.

پنج سال پیش، دانشمندان این یخ عجیب و غریب به نام «یخ اَبَر یونی» را برای اولین بار در آزمایشات آزمایشگاهی بازسازی کردند و چهار سال پیش بود که وجود و ساختار بلوری آن را تایید کردند.

سپس در سال گذشته، پژوهشگران چندین دانشگاه در ایالات متحده و آزمایشگاه مرکز شتاب دهنده خطی استنفورد در کالیفرنیا(SLAC) حالت جدیدی از یخ ابریونی را کشف کردند. کشف آنها درک ما را عمیق‌تر می‌کند که چرا اورانوس و نپتون دارای چنین میدان‌های مغناطیسی پیچیده با قطب‌های متعددی هستند.

اطلاعات عمومی ما می‌گوید که آب در زمین، یک مولکول ساده است که از یک اتم اکسیژن متصل به دو اتم هیدروژن تشکیل شده است که هنگام یخ زدن در یک موقعیت ثابت قرار می‌گیرند.

اما یخ ابریونی به طرز عجیبی متفاوت است و با این حال ممکن است یکی از فراوان‌ترین شکل‌های آب در کیهان باشد. یخی که تصور می‌شود نه تنها درون اورانوس و نپتون، بلکه در بسیاری از سیارات فراخورشیدی مشابه نیز وجود داشته باشد.

این سیاره‌ها دارای فشارهای شدید دو میلیون برابری نسبت به جو زمین هستند و فضای داخلی آنها به گرمی سطح خورشید است، جایی که وجود آب در آن عجیب است.

دانشمندان در سال ۲۰۱۹ آنچه را که فیزیکدانان در سال ۱۹۸۸ پیش‌بینی کرده بودند، تأیید کردند و آن، ساختاری است که در آن اتم‌های اکسیژن در یخ ابریونی در یک شبکه مکعبی جامد قفل شده‌اند، در حالی که اتم‌های هیدروژن یونیزه شده آزاد می‌شوند و مانند الکترون‌ها از میان فلزات در آن شبکه جریان می‌یابند. این به یخ ابریونی خاصیت رسانایی می‌دهد. همچنین نقطه ذوب آن را به گونه‌ای افزایش می‌دهد که در دماهای زیاد همچنان جامد باقی می‌ماند.

در این مطالعه جدید، آریانا گلیسون فیزیکدان دانشگاه استنفورد و همکارانش قطعات نازکی از آب را که بین دو لایه الماس قرار گرفته بود، با لیزرهای بسیار قدرتمند بمباران کردند.

امواج ضربه‌ای پی در پی فشار را تا ۲۰۰ گیگا پاسکال(۲ میلیون اتمسفر) و دما را تا حدود ۵۰۰۰ کلوین(۸۵۰۰ درجه فارنهایت) افزایش داد که گرم‌تر از دمای آزمایش‌های سال ۲۰۱۹ اما در فشارهای پایین‌تر از آن بود.

گلیسون و همکارانش در مقاله خود توضیح می‌دهند: کشف‌های اخیر سیاره‌های فراخورشیدی شبیه به نپتون که غنی از آب هستند، نیازمند درک دقیق‌تری از نمودار حالت آب در شرایط فشار و دمای درون آنهاست.

سپس پراش پرتوی ایکس، با وجود این که شرایط فشار و دما فقط برای کسری از ثانیه حفظ شد، ساختار بلوری این یخ داغ و متراکم را آشکار کرد.

الگوهای پراش حاصل تایید کرد که بلورهای یخ در واقع حالت جدیدی هستند که از یخ ابریونی مشاهده شده در سال ۲۰۱۹ مشاهده شده است. این یخ ابریونی تازه کشف شده موسوم به Ice XIX ساختار مکعبی متمرکز بر خود دارد و رسانایی بیشتری نسبت به نسل قبلی خود در سال ۲۰۱۹ موسوم به Ice XVIII دارد.

رسانایی در اینجا مهم است، زیرا ذرات باردار متحرک، میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند. این اساس نظریه دینامو است که توضیح می‌دهد چگونه سیالات رسانا مانند گوشته زمین یا داخل یک جرم آسمانی دیگر باعث ایجاد میدان‌های مغناطیسی می‌شوند.

نظریه دینامو یا اصل نظری ژنراتور زمین(Dynamo theory) مکانیسمی را تعریف می‌کند که بر پایه آن، اجرام آسمانی مثلاً یک سیاره در شرایط زمین یا یک ستاره مانند خورشید، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. نظریه دینامو فرآیندی را توصیف می‌کند که طی آن یک سیالِ در حال چرخش، با قابلیت‌های همرفت و رسانایی جریان الکتریکی می‌تواند یک میدان مغناطیسی را در مقیاس‌های زمانی نجومی -تا زمانی که در چرخش است- در خود حفظ کند. تصور می‌شود که مکانیسم دینامو منشأ وجود میدان مغناطیسی زمین و میدان‌های مغناطیسی عطارد و سیاره‌های غول‌پیکر منظومه شمسی است.

اگر مقدار بیشتری از محتوای درون یک غول یخی مانند نپتون توسط یک جامد خاکی و مقدار کمتری از آن توسط یک مایع چرخان گرفته شود، آنگاه نوع میدان مغناطیسی تولید شده را تغییر خواهد داد و اگر آن سیاره در هسته خود دارای دو لایه ابریونی با رسانایی متفاوت باشد، همانطور که گلیسون و همکارانش پیشنهاد می‌کنند که نپتون ممکن است چنین باشد، میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط لایه مایع بیرونی با هر یک از آنها به طور متفاوتی برهمکنش می‌کند و شرایط را عجیب‌تر می‌کند.

گلیسون و همکارانش به این نتیجه رسیدند که رسانایی افزایش یافته لایه‌ای از یخ ابر یونی شبیه به یخ XIX، تولید میدان‌های مغناطیسی ضعیف و چندقطبی مانند میدان‌های مغناطیسی که از اورانوس و نپتون منتشر می‌شوند را افزایش می‌دهد.

اگر چنین باشد، بیش از ۳۰ سال پس از آن که کاوشگر فضایی وویجر ۲ ناسا که در سال ۱۹۷۷ پرتاب شد، از کنار دو غول یخی منظومه شمسی پرواز کرد و میدان‌های مغناطیسی بسیار غیرعادی آنها را اندازه‌گیری کرد، به نتایج رضایت‌بخشی رسیده‌ایم.

این مطالعه در مجله Scientific Reports منتشر شده است.