شبیه‌سازی جدید هسته مریخ می‌تواند چگونگی از دست دادن میدان مغناطیسی این سیاره را توضیح دهد
مریخ سیاره‌ای خشک شده است که توسط طوفان‌های گرد و غبار جهانی اداره می‌شود. همچنین دنیای سردی است که در آن دمای زمستان در شب به منفی 140 درجه سانتیگراد (منهای 220 فارنهایت) در قطبها می‌رسد.
اما همیشه خشک، بایر، یخبندان و غیرقابل سکونت نبود. قبلاً مکانی گرم، مرطوب و تقریباً مهمان‌پذیر بود، جایی که آب مایع در سطح آن جاری می‌شد، دریاچه‌ها را پر می‌کرد، کانال‌ها را کنده‌کاری می‌کرد و دلتاهای رسوبی را برجای می‌گذاشت.
اما سپس میدان مغناطیسی خود را از دست داد و خورشید جو سیاره را از بین برد. بدون جو، آب هم از بین رفت.
اکنون مریخ همان مریخی است که ما همیشه می‌شناختیم: مکانی که فقط مریخ‌نوردهای رباتیک آن را مهمان‌نواز می‌دانند.
دقیقاً چگونه سپر مغناطیسی خود را از دست داد؟ دانشمندان برای مدت طولانی در مورد آن کنجکاو بودند.
سپر مغناطیسی برای حفظ جو زمین و قابلیت سکونت آن بسیار مهم است. بدون آن، زمین شبیه مریخ خواهد بود. اما زمین حفاظت خود را حفظ کرد و مریخ این کار را نکرد. بنابراین، همانطور که کارل سیگان گفت، زمین مملو از حیات است، در حالی که مریخ احتمالاً کاملاً فاقد حیات است.
مریخ دارای بقایای ضعیفی از میدان مغناطیسی است که از پوسته‌اش سرچشمه می‌گیرد، اما این پدیده ضعیفی است که حفاظت کمی را ارائه می‌کند.
از دست دادن مگنتوسفر برای مریخ فاجعه‌بار بود. چگونه اتفاق افتاد؟
مطالعه جدیدی، مانند بسیاری از مطالعات قبلی سعی دارد به این سوال پاسخ دهد. عنوان آن “طبقه‌بندی در هسته‌های سیاره‌ای غیرقابل اختلاط مایع در Fe-S-H” است. نویسندگان این مطالعه کی هیروسه از دپارتمان علوم زمین و سیاره‌شناسی دانشگاه توکیو و دانشجوی دکترا شونپی یوکو در آزمایشگاه هیروسه می‌باشند.
هسته زمین یک اثر مغناطیسی ایجاد می‌کند که میدانهای مغناطیسی سیاره ما را ایجاد می‌کند. یک هسته داخلی جامد و یک هسته مایع بیرونی وجود دارد.
گرما از هسته داخلی به هسته خارجی جریان می‌یابد و جریانهای همرفتی را در هسته مایع بیرونی ایجاد می‌کند. جریانهای همرفتی در الگوهایی جریان می‌یابد که توسط چرخش سیاره، هسته داخلی و اثر کوریولیس ایجاد می‌شود. این امر باعث ایجاد مگنتوسفر سیاره می‌شود.
مگنتوسفر سیاره را مانند یک پتوی محافظ قنداق می‌کند. باد خورشیدی به مگنتوسفر برخورد می‌کند و مگنتوسفر آن را مجبور می‌کند به جای رسیدن به جو یا سطح، به دور سیاره بچرخد.
مگنتوسفر یک کره نیست: باد خورشیدی مگنتوسفر را به شکل نامتقارن حرکت می‌دهد. مگنتوسفر از بادهای خورشیدی جلوگیری می‌کند تا زمین از بین نرود. بدون آن، زمین مانند مریخ خشک، مرده و بایر خواهد بود.
پس چه اتفاقی برای مریخ افتاد؟
هیروسه در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: “میدان مغناطیسی زمین توسط جریانهای همرفتی غیرقابل تصوری از فلزات مذاب در هسته آن هدایت می‌شود. تصور می‌شود که میدانهای مغناطیسی در سیارات دیگر به همین ترتیب عمل می‌کنند.”
اگرچه ترکیب داخلی مریخ هنوز مشخص نیست، شواهد به دست آمده از شهاب‌سنگ‌ها نشان می‌دهد که هسته مریخ آهن مذاب غنی شده با گوگرد است. علاوه بر این، خوانشهای لرزه‌ای کاوشگر اینسایت ناسا در سطح به ما می‌گویند که هسته مریخ بزرگ‌تر و چگال‌تر از آن چیزی است که قبلا تصور می‌شد. همه چیز حاکی از وجود عناصر سبکتر اضافی مانند هیدروژن است.”
کاوشگر اینسایت ناسا برای رسیدن به تمام اهداف علمی خود تلاش کرد و شواهد مهمی در مورد ساختار داخلی مریخ جمع‌آوری کرده است. اگر نتایج اینسایت درست باشد و اگر هیدروژن وجود داشته باشد، مبنایی برای آزمایش‌هایی است که می‌تواند اطلاعات بیشتری درباره سپر مغناطیسی از دست رفته مریخ نشان دهد.
(NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr)
تصویر بالا: تجسم جریانهای الکتریکی اطراف مریخ. جریانهای الکتریکی (فلشهای آبی و قرمز) مریخ را در ساختاری تودرتو و دوحلقه‌ای می‌پوشاند که به‌طور پیوسته در اطراف سیاره از سمت روز تا سمت شب آن می‌پیچد. این حلقه‌های جریان، میدان مغناطیسی باد خورشیدی را منحرف می‌کنند که در اطراف مریخ می‌چرخد و یک مگنتوسفر القایی در اطراف سیاره ایجاد می‌کند.
هیروسه گفت: “با این جزئیات، آلیاژهای آهنی را آماده می‌کنیم که انتظار داریم هسته را تشکیل دهند و آنها را تحت آزمایش قرار دهیم.”
آزمایشهای قبلی رفتار هسته‌های سیاره‌ای را در فشارها و دماهای متفاوت بررسی کردند. اما آنها روی هیدروژن تمرکز نکردند.
نویسندگان در مقاله خود توضیح می‌دهند: «نظریه‌های اخیر تشکیل سیاره نشان می‌دهد که مقدار زیادی آب به مریخ و زمین در طول انباشته شدن آنها تحویل داده شده است که نشان می‌دهد هیدروژن احتمالاً یک عنصر سبک اصلی در هسته است. علیرغم اهمیت آن، تا کنون سیستم Fe-S-H در فشارهای بالا کمی مورد بررسی قرار گرفته است.
اما اگر داده‌های اینسایت درست باشد، هیدروژن موجود در هسته Fe-S-H ممکن است در فروپاشی میدان مغناطیسی مریخ نقش داشته باشد.
محققان نمونه‌ای از مواد را تهیه کردند که به نظر آنها زمانی هسته مریخ از آن تشکیل شده بود. حاوی آهن، گوگرد و هیدروژن – Fe-S-H بود. آنها نمونه را در دستگاهی به نام سندان الماس یا سلول سندان الماسی (DAC) قرار دادند.
تصویر سلول سندان الماسی که در این آزمایشها استفاده شد. (یوکو و همکاران)
سندان الماسی نمونه‌ها را بین دو صفحه الماس کوچک فشرده می‌کند. الماس‌ها می‌توانند فشارهای شدید درون سندان را تحمل کنند.
DAC می‌تواند نمونه‌های میکروسکوپی را تحت فشار صدها گیگا پاسکال قرار دهد. یک لیزر نمونه را گرم کرد تا شرایط هسته مریخ را شبیه‌سازی کند. هنگامی که این تیم نمونه را در معرض دما و فشارهای بالاتر قرار داد، آن را با پرتوهای اشعه ایکس و الکترونی مشاهده کردند تا تغییرات در مواد را ردیابی کنند. نمونه Fe-S-H نه تنها ذوب شد، بلکه ترکیب آن را نیز تغییر داد.
نتایج آزمایش بر ایده امتزاج‌پذیری متمرکز است. وقتی مواد به هم اضافه می‌شوند و مخلوطی همگن ایجاد می‌کنند، قابل اختلاط هستند. وقتی مواد به هم اضافه می‌شوند و مخلوطی همگن ایجاد نمی‌کنند، غیر قابل اختلاط هستند. اختلاط ناپذیری Fe-S-H در دماها و فشارهای بالا نقش مهمی در تاریخ سیاره مریخ ایفا کرد.
هیروسه در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: «ما از دیدن یک رفتار خاص که می‌توانست چیزهای زیادی را توضیح دهد بسیار شگفت زده شدیم. هیروسه گفت: “Fe-S-H ابتدا همگن به دو مایع مجزا با سطح پیچیدگی جدا شد که قبلاً تحت این نوع فشارها دیده نشده بود.” یکی از مایعات آهنی سرشار از گوگرد و دیگری غنی از هیدروژن بود و این برای توضیح تولد و مرگ نهایی میدان مغناطیسی اطراف مریخ کلیدی است.
هیروسه و تیمش فکر می‌کنند که در ابتدا، دو مایع غیرقابل اختلاط در هسته مریخ از هم جدا شدند.
آنها می‌نویسند: “در حالی که مایعات متراکمتر جدا شده در عمیقترین قسمت باقی می‌ماندند، مایعات سبکتر به سمت بالا مهاجرت می‌کنند و با هسته مایع توده‌ای مخلوط می‌شوند که می‌تواند همرفت هسته مریخ را تحریک کند.”
اما در منطقه‌ای که این دو مایع از هم جدا شدند، اتفاق دیگری افتاد. در همان زمان، لایه‌بندی ترکیبی و پایدار از نظر گرانشی باید در منطقه‌ای ایجاد می‌شد که در آن جداسازی مایع صورت می‌گرفت. در نهایت، باعث متوقف شدن همرفت شد.
نمودار قشربندی در هسته‌های سیاره‌ای را با عدم امتزاج مایع در مریخ و زمین نشان می‌دهد.
(Yokoo et al., Nat. Commun., 2022)
بالا: این شکل از مقاله نشان می‌دهد که چگونه هسته مریخ و هسته زمین مشابه هستند و سپس در طول زمان تغییر کرده است. آبی روشن و تیره به ترتیب بیانگر مایعات شناور و متراکم هستند.
دانشمندان از قبل می دانستند که چه زمانی همرفت متوقف شد و مریخ سپر مغناطیسی خود را از دست داد. حدود 4 بیلیون سال پیش این اتفاق افتاد. این مطالعه توضیح می‌دهد که چرا همرفت به پایان رسید و منجر به از دست دادن سپر مغناطیسی شد.
همچنین توضیح می‌دهد که چگونه شروع شد. آنها در مقاله خود می‌نویسند: «جداسازی مایعات غنی از S و H-غیرقابل اختلاط می‌تواند عامل شروع و خاتمه همرفت هسته مریخ و عمل دینام باشد.
هنگامی که این دو مایع از هم جدا شدند، مریخ محکوم به فنا بود. دیگر نه جابجایی، نه مغناطیس، نه جو و نه آب وجود داشت. بازه زمانی دقیق مشخص نیست، اما نتیجه آن یک سیاره مرده بود.
با این حال، این فقط یک مطالعه است و ما تصویر کاملی نداریم. هیروسه گفت: «با در نظر گرفتن نتایج، با مطالعه بیشتر لرزه‌ای مریخ امیدواریم که تأیید کنیم که همانطور که ما پیش‌بینی می‌کنیم هسته واقعاً در لایه‌های مجزا قرار دارد.» اگر اینطور باشد، به ما کمک می‌کند تا داستان چگونگی شکل گیری سیارات سنگی، از جمله زمین را کامل کنیم و ترکیب آنها را توضیح دهیم.»
ما می‌دانیم که زمین برای همیشه قابل سکونت نخواهد بود. حدود 5 بیلیون سال دیگر خورشید وارد فاز غول سرخ خود می‌شود و زمین را نابود می‌کند. اما سپر مغناطیسی محافظ ما نیز برای همیشه دوام نخواهد آورد و ما بدون آن محکوم به فنا هستیم. اول چه اتفاقی خواهد افتاد؟ از دست دادن مگنتوسفر؟ یا نابودی توسط یک غول سرخ؟
هیروسه گفت: “و ممکن است فکر کنید که زمین ممکن است روزی میدان مغناطیسی خود را نیز از دست بدهد، اما نگران نباشید، حداقل تا یک بیلیون سال این اتفاق نخواهد افتاد.”
بنابراین ما یک بیلیون سال فرصت داریم. بیایید آن را هدر ندهیم.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
A New Simulation of Mars’s Core Could Explain How It Lost Its Magnetic Field
EVAN GOUGH, UNIVERSE TODAY 12 FEBRUARY 2022
https://www.sciencealert.com/a-new-simulation-of-mars-s-core-could-explain-how-it-lost-its-magnetic-field