کشفی که آینده پژوهش‌های فضایی را متحول می‌کند!

به گزارش سای‌تک دیلی، تحقیقات جدید دانشگاه کالیفرنیا – لس‌آنجلس (UCLA) و دانشگاه پرینستون نشان می‌دهند که تحت فشار و دمای شدید، هیدروژن و آب می‌توانند در داخل سیارات با یکدیگر ترکیب شوند و حتی موجب «بارش داخلی» شوند. این پدیده می‌تواند توضیحی برای برخی از ویژگی‌های عجیب سیارات مانند اورانوس ارائه دهد و موجب تغییرات عمده‌ای در درک ما از تکامل سیارات بیگانه گردد.

ترکیب آب و هیدروژن در عمق سیارات

زمانی که سیارات در حال شکل‌گیری هستند، می‌توانند دمای بسیار بالایی داشته باشند و جو آنها ترکیب یکسانی از هیدروژن و آب باشد. اما با گذشت زمان و کاهش دما، هیدروژن و آب در جو سیارات شروع به جدا شدن از یکدیگر می‌کنند. این فرآیند جداسازی می‌تواند موجب «بارش» آب در اعماق سیاره شده و گرما آزاد کرده و ترکیب جو سیاره را تغییر دهد. این تغییرات داخلی می‌توانند تأثیرات زیادی بر تکامل طولانی‌مدت سیاره در طی میلیارد‌ها سال داشته باشند. این یافته‌ها همچنین به سیارات فراخورشیدی با جو‌های غنی از هیدروژن و اقیانوس‌های آب اعمال می‌شود، به‌ویژه اگر دمای داخلی آنها به اندازه‌ای بالا باشد که مانع از جدا شدن هیدروژن و آب نشود.

ممکن است آب و گاز در اعماق سیارات با یکدیگر ترکیب شوند

همه سیارات از ترکیبی از گاز، یخ، سنگ و فلز ساخته شده‌اند. برای مدت طولانی، دانشمندان فرض می‌کردند که این مواد در هنگام شکل‌گیری سیارات با یکدیگر واکنش شیمیایی ندارند، اما ممکن است اینطور نباشد. محققان از UCLA و پرینستون این سوال را بررسی کردند و چیزی غیرمنتظره کشف کردند: تحت فشار و دمای شدید در داخل سیارات جوان، آب و گاز هیدروژن می‌توانند واکنش دهند و ترکیب‌های شیمیایی جالبی در جو سیارات ایجاد کنند و حتی موجب نوعی «بارش داخلی» در اعماق سیاره شوند.

اکثر سیارات در کهکشان ما اندازه‌ای بین زمین و نپتون دارند. تحقیقات نشان می‌دهند که این سیارات معمولاً با جو‌هایی غنی از هیدروژن شکل می‌گیرند. با گذشت زمان، هیدروژن با هسته‌های مذاب این سیارات تعامل پیدا می‌کند و این تعاملات برای میلیون‌ها یا حتی میلیارد‌ها سال ادامه می‌یابد. این تعاملات بین جو و درون سیاره به‌عنوان بخش مهمی از نحوه شکل‌گیری، تکامل و توسعه ساختار داخلی این سیارات شناخته شده‌اند.

شبیه‌سازی شرایط شدید سیاره‌ای

با این حال، دما و فشار‌های involved در این فرآیند‌ها آنقدر شدید هستند که انجام آزمایش‌های آزمایشگاهی برای مطالعه آنها تقریباً غیرممکن است. محققان از سوپرکامپیوتر‌های UCLA و پرینستون برای انجام شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی مکانیک کوانتومی استفاده کردند تا بررسی کنند چگونه هیدروژن و آب — دو جزء اصلی سیاره‌ای — در یک بازه وسیع از فشار و دما در سیارات با اندازه نپتون و کوچکتر تعامل می‌کنند. نتایج این تحقیقات در تاریخ ۲۴ مارس در The Astrophysical Journal Letters منتشر شد.

لارس استیکسروود، یکی از نویسندگان این تحقیق و استاد علوم زمین، سیارات و فضا در UCLA، گفت: «ما معمولاً فکر می‌کنیم که فیزیک و شیمی پایه از قبل شناخته شده‌اند. می‌دانیم که چه زمانی مواد ذوب می‌شوند و چه زمانی حل می‌شوند یا یخ می‌زنند. اما وقتی به اعماق سیارات می‌رسیم، نمی‌دانیم. هیچ کتاب درسی برای این مسائل نداریم و باید آنها را پیش‌بینی کنیم.»

تعاملات هیدروژن و آب در سطح کوانتومی

محققان با استفاده از شبیه‌سازی‌ها سیستمی را شبیه‌سازی کردند که در آن هیدروژن و آب از چند صد اتم از هر کدام تشکیل شده بودند و تعامل آنها را در سطح کوانتومی محاسبه کردند. این اتم‌ها به‌طور طبیعی و مطابق با شرایط آزمایشگاه تحت این شرایط واکنش نشان دادند.

زمانی که سیارات بسیار داغ هستند، جو آنها می‌تواند ترکیبی همگن از هیدروژن و آب باشد. اما با گذشت زمان و کاهش دما، هیدروژن و آب شروع به جدا شدن می‌کنند و این بارش آب می‌تواند گرمای غیرمنتظره‌ای در اعماق این سیارات تولید کند و ترکیب جو آنها را تغییر دهد.

تکامل سیاره‌ای از طریق جداسازی جو

آکاش گوپتا، نویسنده اول این مقاله که این تحقیق را به‌عنوان دانشجوی دکترا در UCLA انجام داده و اکنون پژوهشگر پسادکترا در دانشگاه پرینستون است، گفت: «با گذشت زمان، سیاره خنک می‌شود و در نواحی بیرونی جو، ابر‌ها شروع به شکل‌گیری می‌کنند، زیرا آب از جو جدا می‌شود. پس از آن، هیدروژن و آب در اعماق جو شروع به جدا شدن می‌کنند و این یک رویداد حیاتی است، زیرا بیشتر ذخایر هیدروژن و آب سیاره در این اعماق قرار دارند. این امر منجر به بارش آب در اعماق جو سیاره می‌شود که در آن آب سنگین به پایین می‌رود و هیدروژن سبک‌تر بالا می‌رود، که نتیجه آن ایجاد یک پوشش بیرونی غنی از هیدروژن و یک هسته داخلی غنی از آب است.»

بارش داخلی و معمای اورانوس

این یافته‌ها همچنین می‌توانند به حل معمایی کمک کنند که چرا اورانوس گرمای کمتری نسبت به نپتون منتشر می‌کند، با اینکه این دو سیاره تقریباً اندازه یکسانی دارند.

گوپتا توضیح داد: «بارش آب ممکن است در نپتون به میزان بیشتری نسبت به اورانوس اتفاق افتاده باشد و این می‌تواند توضیح دهد که چرا نپتون گرمای بیشتری نسبت به اورانوس دارد.»

تأثیرات برای سیارات فراخورشیدی قابل سکونت

این تحقیق همچنین پیامد‌هایی برای سیارات فراخورشیدی مانند K۲-۱۸ b و TOI-۲۷۰ d دارد که به‌عنوان سیاراتی بالقوه قابل سکونت شناخته شده‌اند و جو آنها از هیدروژن و آب تشکیل شده است. با این حال، دما‌های داخلی چنین سیاراتی اگر به اندازه کافی بالا باشد، می‌تواند باعث شود که هیدروژن و آب نتوانند از هم جدا شوند، به طوری که سیاره به صورت یک مایع همگن از هیدروژن و آب باقی بماند.

چارچوب جدیدی برای ساختار داخلی سیارات

هیلکه اشلیشتینگ، یکی از نویسندگان این تحقیق و استاد علوم زمین، سیارات و فضا در UCLA، گفت: «اگر آب و هیدروژن در واقع در تمام اعماق سیاره با یکدیگر ترکیب شده باشند، ساختار و تکامل حرارتی سیارات فراخورشیدی مشابه زمین و نپتون می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی متفاوت از مدل‌های استاندارد موجود در این زمینه باشد.»

از سوی دیگر، سیاراتی که سردتر هستند، می‌توانند لایه‌ای جداگانه غنی از آب داشته باشند که احتمالاً به صورت مایع است.

این تحقیق چارچوبی مبتنی بر فیزیک ارائه می‌دهد که می‌تواند به شناسایی بهتر سیستم‌های سیاره‌ای در کهکشان ما کمک کند که احتمالاً سیاراتی غنی از آب با اقیانوس دارند و کدامیک ممکن است جو‌هایی داشته باشند که در آن هیدروژن و آب کاملاً با یکدیگر ترکیب شده‌اند. همچنین این تحقیق به شفاف‌سازی شرایطی می‌پردازد که این جداسازی را تعیین می‌کنند.

انتهای پیام/