Nowe badania na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley oferują świeże spojrzenie na Uran I Neptunwnętrz, wskazując na warstwową strukturę wody i węglowodorów.
Odkrycia te wyjaśniają niezwykłe pola magnetyczne planet i są poparte symulacjami pokazującymi, że ekstremalne warunki prowadzą do separacji wodoru, co stabilizuje warstwy i hamuje konwekcję.
Tajemnice Urana i Neptuna
Diamentowy deszcz? Woda superjonowa?
To tylko dwa pomysły, które naukowcy zaproponowali, aby wyjaśnić, co kryje się pod gęstą, niebieskawą atmosferą wodorowo-helową Urana i Neptuna – enigmatycznych, choć pozornie niczym niezwykłych lodowych olbrzymów naszego Układu Słonecznego.
Nowe spojrzenie na wnętrza lodowych gigantów
Teraz badacz z Uniwersytet Kalifornijski w Berkeleyoferuje nową perspektywę. Sugeruje, że wnętrza tych planet składają się z odrębnych warstw, które podobnie jak ropa i woda nie mieszają się. Ta warstwowa struktura dostarcza przekonującego wyjaśnienia ich niezwykłych pól magnetycznych i podważa wcześniejsze teorie na temat wewnętrznego składu planet.
W artykule opublikowanym 25 listopada w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii NaukBurkhard Militzer argumentuje, że tuż pod warstwami chmur znajduje się głęboki ocean wody, a poniżej znajduje się silnie sprężony płyn złożony z węgla, azotu i wodoru. Symulacje komputerowe pokazują, że pod wpływem temperatur i ciśnień panujących we wnętrzach planet, połączenie wody (H2O), metan (CH3) i amoniak (NH3) w naturalny sposób rozdzieliłaby się na dwie warstwy, głównie dlatego, że wodór zostałby wyciśnięty z metanu i amoniaku, które stanowią większość głębokiego wnętrza.
Rola wnętrz warstwowych w tworzeniu pola magnetycznego
Te niemieszające się warstwy wyjaśniałyby, dlaczego ani Uran, ani Neptun nie mają pola magnetycznego takiego jak Ziemia. Było to jedno z zaskakujących odkryć na temat lodowych gigantów naszego Układu Słonecznego, dokonanych przez misję Voyager 2 pod koniec lat 80.
„Mamy teraz, powiedziałbym, dobrą teorię, dlaczego Uran i Neptun mają naprawdę różne pola i bardzo różnią się od Ziemi, JupiterI Saturn”- powiedział Militzer, profesor nauk o Ziemi i planetach na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Nie wiedzieliśmy tego wcześniej. To jak olej i woda, z tą różnicą, że olej spada na dół z powodu utraty wodoru.
Militzer powiedział, że jeśli inne układy gwiezdne mają podobny skład do naszego, lodowe olbrzymy wokół tych gwiazd mogą mieć podobną strukturę wewnętrzną. Planety wielkości Urana i Neptuna – tak zwane planety podNeptuna – należą do najczęściej odkrytych dotychczas egzoplanet.
Konwekcja i pole magnetyczne
Gdy planeta ochładza się od powierzchni w dół, zimna i gęstsza materia opada, podczas gdy plamy gorętszego płynu unoszą się niczym wrząca woda – proces zwany konwekcją. Jeśli wnętrze przewodzi prąd, gruba warstwa materiału konwekcyjnego wygeneruje dipolowe pole magnetyczne podobne do tego, jakie wytwarza magnes sztabkowy. Pole dipolowe Ziemi, utworzone przez jej zewnętrzne, płynne żelazne jądro, wytwarza pole magnetyczne, które zapętla się od bieguna północnego do bieguna południowego i jest powodem, dla którego kompasy wskazują bieguny.
Jednak Voyager 2 odkrył, że żaden z dwóch lodowych gigantów nie ma takiego pola dipolowego, a jedynie zdezorganizowane pola magnetyczne. Oznacza to, że w głębokich wnętrzach planet nie ma ruchu konwekcyjnego materii w grubej warstwie.
Aby wyjaśnić te obserwacje, ponad 20 lat temu dwie odrębne grupy badawcze zaproponowały, że planety muszą mieć warstwy, które nie mogą się mieszać, co zapobiega konwekcji na dużą skalę i globalnemu dipolarnemu polu magnetycznemu. Konwekcja w jednej z warstw może jednak wytworzyć zdezorganizowane pole magnetyczne. Żadna z grup nie potrafiła jednak wyjaśnić, z czego wykonane są te niezmieszające się warstwy.
Przełom dzięki uczeniu maszynowemu
Dziesięć lat temu Militzer wielokrotnie próbował rozwiązać ten problem, wykorzystując symulacje komputerowe około 100 atomów z proporcjami węgla, tlenu, azotu i wodoru odzwierciedlającymi znany skład pierwiastków wczesnego Układu Słonecznego. Przy ciśnieniach i temperaturach przewidzianych dla wnętrz planet – odpowiednio 3,4 miliona razy wyższe od ciśnienia atmosferycznego Ziemi i 4750 kelwinów (8000°F) – nie był w stanie znaleźć sposobu na uformowanie się warstw.
Jednak w ubiegłym roku przy pomocy uczenie maszynoweudało mu się uruchomić model komputerowy symulujący zachowanie 540 atomów i ku swemu zdziwieniu odkrył, że warstwy tworzą się w sposób naturalny w wyniku podgrzewania i ściskania atomów.
Separacja wodoru i dopasowanie grawitacyjne
„Pewnego dnia spojrzałem na model i zobaczyłem, że woda oddzieliła się od węgla i azotu. To, czego nie mogłem zrobić 10 lat temu, stało się teraz” – powiedział. „Pomyślałem: «Wow! Teraz wiem, dlaczego tworzą się te warstwy: jedna jest bogata w wodę, druga w węgiel, a na Uranie i Neptunie znajduje się poniżej układ bogaty w węgiel. Cięższa część pozostaje na dnie, a lżejsza część pozostaje na górze i nie może powodować żadnej konwekcji.’”
„Nie mógłbym tego odkryć bez dużego układu atomów i dużego systemu, którego nie mogłem symulować 10 lat temu” – dodał.
Ilość wyciśniętego wodoru wzrasta wraz z ciśnieniem i głębokością, tworząc stabilnie uwarstwioną warstwę węgla, azotu i wodoru, prawie przypominającą plastikowy polimer – powiedział. Podczas gdy górna, bogata w wodę warstwa prawdopodobnie konwekuje, wytwarzając obserwowane zdezorganizowane pole magnetyczne, głębsza, uwarstwiona warstwa bogata w węglowodory nie może tego zrobić.
Kiedy modelował grawitację wytwarzaną przez warstwowe Urana i Neptuna, pola grawitacyjne odpowiadały tym, które zmierzył Voyager 2 prawie 40 lat temu.
„Jeśli zapytasz moich kolegów: «Jak myślisz, co wyjaśnia pola Urana i Neptuna?» mogą powiedzieć: „No cóż, może to diamentowy deszcz, ale może to ta właściwość wody, którą nazywamy superjonową” – powiedział. „Z mojego punktu widzenia nie jest to prawdopodobne. Ale jeśli mamy to rozdzielenie na dwie oddzielne warstwy, to powinno to wyjaśnić.
Porównanie Urana i Neptuna
Militzer przewiduje, że pod atmosferą Urana o grubości 5000 mil znajduje się bogata w wodę warstwa o grubości około 8000 km, a poniżej warstwa bogata w węglowodory również o grubości około 8000 km. Jego skaliste jądro jest mniej więcej wielkości planety Merkury. Chociaż Neptun jest masywniejszy niż Uran, ma mniejszą średnicę, cieńszą atmosferę, ale podobnie grube warstwy bogate w wodę i węglowodory. Jego skaliste jądro jest nieco większe niż jądro Urana i ma w przybliżeniu wielkość Mars.
Przyszłe badania i potwierdzenia
Ma nadzieję na współpracę z kolegami, którzy będą w stanie sprawdzić za pomocą eksperymentów laboratoryjnych w ekstremalnie wysokich temperaturach i ciśnieniach, czy w płynach tworzą się warstwy o proporcjach pierwiastków występujących w Układzie Protosłonecznym. Proponowany NASA misja do Urana może również dostarczyć potwierdzenia, jeśli statek kosmiczny będzie miał na pokładzie kamerę dopplerowską do pomiaru wibracji planety. Militzere powiedział, że planeta warstwowa wibrowałaby z inną częstotliwością niż planeta konwekcyjna. Jego następny projekt polega na wykorzystaniu modelu obliczeniowego do obliczenia różnic w wibracjach planet.
Odniesienie: „Oddzielenie faz lodów planetarnych wyjaśnia niepolarne pola magnetyczne Urana i Neptuna”, Burkhard Militzer, 25 listopada 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2403981121
Badania wsparła Narodowa Fundacja Nauki (PHY-2020249) w ramach Centrum Materii pod Ciśnieniami Atomowymi.
