یخ داغ و سیاه؛ عامل میدان مغناطیسی وحشی نپتون

به گزارش ایسنا، نوعی آب که به «آب آزاد» معروف است، نوعی یخ است که در داخل هسته سیارات غول پیکر یخی تشکیل می شود. با این حال، برخلاف یخ معمولی، در واقع داغ و سیاه است.

برای دهه‌ها، دانشمندان مشکوک بودند که آب ابریونیک در هسته‌های نپتون و اورانوس مسئول میدان‌های مغناطیسی وحشی و نامرتب است که فضاپیمای وویجر 2 هنگام عبور از آنجا مشاهده کرد.

مجموعه ای از آزمایشات شرح داده شده در مقاله منتشر شده در Nature Communications توسط Leon Andriambariarijaona و همکارانش در آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC و دانشگاه سوربن، شواهد تجربی در مورد اینکه چرا دقیقاً یخ این میدان های مغناطیسی عجیب را ایجاد می کند، ارائه می دهد، زیرا بسیار بیش از آنچه انتظار می رود آشفته است.

در مدرسه، بیشتر دانش‌آموزان در مورد چهار حالت ماده: جامد، مایع، گاز و پلاسما آموزش می‌بینند، اما آب در فشار و دمای بسیار بالا می‌تواند در حالت کریستالی وجود داشته باشد که اگرچه شبیه یک جامد است، اما در واقع یک شبکه کریستالی است. این شبکه توسط اتم های اکسیژن تشکیل می شود، در حالی که اتم های هیدروژن آزادانه در سراسر شبکه جریان دارند و در حین حرکت، جریان الکتریکی را هدایت می کنند.

دانشمندان مدت‌هاست که این نظریه را مطرح کرده‌اند که شبکه اتم‌های اکسیژن در آب مقطر یک کریستال “کامل” را تشکیل می‌دهد، جایی که اتم‌ها یا در مرکز یک مکعب هستند. پیکربندی به نام مکعب بدن محور (BCC) یا اتم ها بر روی صفحه مکعب قرار دارند.

هر دوی اینها لبه های زیبا و مشخصی را ارائه می کنند که دانشمندان انتظار دارند در یک ساختار کریستالی ببینند، اما این شبکه های کریستالی زیبا با میدان مغناطیسی ناهموار و پر هرج و مرج که وویجر 2 هنگام عبور از غول های یخی منظومه شمسی خودمان می دید، همخوانی نداشتند. بنابراین دانشمندان به این نتیجه رسیدند که باید این شکل منحصر به فرد آب را به صورت تجربی آزمایش کنند تا ببینند آیا نظریه شبکه درست است یا خیر.

برای این کار ابتدا باید آب را خودشان درست می کردند که کار ساده ای نیست. این ماده فقط در دماها و فشارهای بسیار بالا وجود دارد و اگر هر یک از متغیرهای محیطی کاهش یابد، بلافاصله به اشکال دیگر و پایدارتر آب تبدیل می شود.

دستیابی به چنین فشارهایی نیاز به ابزاری تخصصی به نام سندان الماس یا به عبارت دقیق تر دو سندان دارد. فشردن نمونه ای از آب بین دو سندان ساخته شده از سخت ترین ماده در جهان به آزمایشگران اجازه داد تا فشار را به 1.8 میلیون اتمسفر افزایش دهند.

سپس نمونه را با نور لیزر پالسی منفجر کردند تا آن را تا حدود 2500 کلوین گرم کنند. در آن زمان، نمونه‌ای از آب آزاد را با موفقیت ساخته بودند، اما به محض کاهش فشار یا دما، ساختار کریستالی از هم پاشید. بنابراین در عرض چند تریلیونم ثانیه پس از رسیدن به آن شرایط، نمونه را با اشعه ایکس تابش کردند.

پراش اشعه ایکس یک روش رایج در مطالعه ساختارهای بلوری است. این اساسا راهی برای گرفتن عکس‌های فوری از موقعیت‌های اتمی با سرعت بالا است، اما زمانی که محققان داده‌های حاصل را تجزیه و تحلیل کردند، متوجه شدند که نتایج آنها به خوبی با نظریه مطابقت ندارد.

خود شبکه ترکیبی از خطوط فازی به نظر می‌رسد که در آن لایه‌های مختلف ساختارهای FCC هستند و برخی در واقع ساختاری کاملاً متفاوت به نام فشرده شش ضلعی (HCP) هستند.

هنگامی که محققان برای اولین بار آزمایش خود را در کالیفرنیا انجام دادند، داده های آشفته آنقدر گیج کننده بود که باعث شد آنها را به نوعی خطای محیطی نسبت دهند. این امر آنها را بر آن داشت تا از یک شتاب دهنده خطی دیگر در آلمان برای از بین بردن منبع بالقوه نویز کمک بگیرند.

زمانی که نتایج آزمایش‌ها در آلمان به هم نزدیک شد، متوجه شدند که به جای یک مصنوع از محیط خود، حقیقت واقعی و آشفته را می‌بینند.

همانطور که محققان به آزمایش فشارها و دماهای مختلف ادامه دادند، آنها همچنین متوجه شدند که برخی از شبکه های همپوشانی با افزایش فشار ظاهر می شوند. این در تضاد با این نظریه است که یک خط انتقال بسیار واضح وجود دارد که در آن ساختار شبکه بین یک ساختار و ساختار دیگر شکسته می‌شود.

در نهایت، همه اینها نشان می دهد که آب مایع یک ماده بسیار پیچیده است و این پیچیدگی ها به توضیح آنچه می تواند در میدان های مغناطیسی ناپایدار سیارات نپتون و اورانوس رخ دهد کمک می کند.

برای روشن بودن، آزمایشی که در آن این مواد تنها برای چند فمتوثانیه وجود داشته باشند، بازسازی کامل فضای داخلی سیارات غول پیکر یخی نیست. شاید با گذشت زمان، ساختار کریستالی به الگوی سفت‌تر تبدیل شود، یا شاید هرج و مرج مشاهده شده توسط آزمایش‌ها به طور تصادفی در سراسر خود غول‌های یخی ادامه یابد.

در حالی که ما هرگز این نوع آب را به طور طبیعی روی زمین نخواهیم دید، این واقعیت که فضای داخلی سیارات غول پیکر یخی غول های یخی را تشکیل می دهند به این معنی است که این نوع یخ ممکن است در واقع فراوان ترین نوع آب در کهکشان باشد.

غول های یخی بخش قابل توجهی از سیارات فراخورشیدی شناخته شده را تشکیل می دهند، اگرچه این ممکن است صرفاً به دلیل اندازه و مدار آنها باشد که هر دوی آنها به راحتی با استفاده از روش های فعلی شکار سیارات فراخورشیدی قابل تشخیص هستند، نه نسبت واقعی آنها از سیارات فراخورشیدی موجود.

در هر صورت، حداقل یک واقعیت علمی جالب است که بدانیم آب (ماده ای که برای حیات روی زمین ضروری است) در مکان های مختلف انواع مختلفی دارد.