میدان مغناطیسی داخل زحل ممکن است از باران هلیوم خودش شکل بگیرد!!

زحل تنها سیاره‌ای است که می‌دانیم میدان مغناطیسی آن تقریباً دقیقاً با محور چرخش آن همسو است. در تجزیه و تحلیل جدید از داده‌های جمع آوری شده در مدار نهایی ماموریت کاسینی ناسا، ستاره شناسان پیشنهاد می‌کنند که طبیعت بی‌نظیر این میدان ممکن است از یک لایه ضخیم “باران” هلیوم باشد که به آرامی بر روی هسته هیدروژن فلزی سیاره می‌بارد.

این نمودار فضای داخلی زحل را نشان می‌دهد. 

Yi Zheng (HEMI / MICA Extreme Arts Program)

دانشمندان تصور می‌کنند اثر دینامو در چرخش و همرفت سیال رسانا باعث ایجاد میدانهای مغناطیسی سیاره‌ای می‌شود. به عنوان مثال، میدان مغناطیسی زمین از هسته جوش داده شده آهن مذاب منشأ می‌گیرد، در حالی که هسته‌های مشتری و زحل حاوی هیدروژن گرم و فشرده شده به حالت فلزی (سیال) هستند. اورانوس و نپتون برای تأمین شرایط مناسب هیدروژن فلزی بسیار کوچک هستند. در عوض تصور می‌شود که دینام‌های درونی آنها توسط یک شکل غیرمعمول از آب یونیزه تأمین می‌شود.

تقریباً محور مغناطیسی همه این سیارات – به جز زحل – حداقل چندین درجه از محور چرخش سیاره کج می‌شود. اورانوس و نپتون در این میان کجی شدیدی دارند، محورهای مغناطیسی آنها در فاصله 45 تا 60 درجه از محورهای چرخشی خود متمایل هستند.

فضاپیمای پایونیر و ویجر دهه‌های گذشته میدان‌های مغناطیسی سیارات خارجی، از جمله جهت‌گیری آنها را اندازه‌گیری کرد. هاو کائو (دانشگاه هاروارد) که در مطالعه حاضر دخیل نبوده است، می‌گوید، اما داده‌های مأموریت جدیدتر کاسینی نشان داد که حداکثر انحراف ممکن زحل بسیار کم است و زیر 0.007 درجه است.

این مدل میدان مغناطیسی زحل را نشان می‌دهد.

 Ankit Barik / Johns Hopkins University

برای دهه‌ها، دانشمندان سیاره‌ای فکر می‌کردند که فضای داخلی همرفت زحل 99٪ هیدروژن و هلیوم است. با این حال، توزیع آن عناصر و حالات فیزیکی آنها در داخل سیاره ناشناخته مانده است. اکنون‌، داده های ماههای پایانی ماموریت کاسینی به دانشمندان کمک می‌کند تا شرایط داخلی و توزیع موادی را درک کنند که به میدان مغناطیسی غیرمعمول زحل منجر می‌شود.

فضاپیمای کاسینی در طی 22 مدار نهایی خود، هر چه بیشتر به منطقه قطبی زحل نزدیک می شد. سابین استنلی (دانشگاه جان هاپکینز) می‌گوید: “این فضاپیما داده‌های زیبایی در مورد میدان مغناطیسی، با جزئیات بیشتر از هر زمان دیگری جمع‌آوری کرد.”

چی یان (همچنین در جان هاپکینز) و استنلی این داده‌ها را در مدل‌های رایانه‌ای گنجانیدند که برای محاسبه میدان‌های مغناطیسی نیروهای مختلف در داخل سیاره تولید کرده‌اند. آنها مدلهای خود را اصلاح کردند تا زمانی که بهترین تطابق را با مشاهدات داشتند.

لایه‌های عجیب و غریب زحل

یان و استنلی دریافتند که بهترین مدل داخلی زحل دارای چهار لایه است. هسته داخلی جامد یا احتمالاً یک مایع طبقه‌ای و بدون همرفت است. این سنگ شامل سنگ و یخی است که در اطراف آنها زحل متراکم شده و تقریباً در یک چهارم سطح آن گسترش یافته است.

بعدی یک هسته خارجی همرفت هیدروژن فلزی و هلیوم محلول است، لایه‌ای که میزبان دیناموی سیاره است. دما و فشار آنقدر زیاد است که این لایه در حالت غیرمعمولی به نام سیال فوق بحرانی قرار دارد (که نه مایع است و نه گاز).

لایه سوم نیز یک مایع فوق بحرانی است اما هلیوم موجود در آن در هیدروژن حل نمی‌شود، در عوض مانند روغن در آب جدا می‌شود. در اینجا، هلیوم از طریق باران هیدروژن مایع بوجود می‌آید، اما بسیار آهسته – پدیده‌ای که قبلا پیش‌بینی شده بود اما هرگز به طور قطعی مشاهده نشده است.

باران هلیوم چیز عجیب و جذابی است که استنلی آن را “یکی از چیزهای مورد علاقه من در جهان” می‌نامد. این باران فقط در فشارهای بزرگتر از یک مگابار، تقریباً یک میلیون برابر فشار اتمسفر زمین در سطح دریا، اما در فشارهای کمتر از هسته بسیار متراکم اتفاق می‌افتد. در زحل، این انتقال در حدود 70 درصد رسیدن به سطح زمین اتفاق می‌افتد. در حالی که هیدروژن و هلیوم در فشارهای کمتری به سطح با هم مخلوط می‌شوند و دوباره در هسته مخلوط می‌شوند، در یک میلیون اتمسفر مانند روغن و آب غیرقابل مخلوط می‌شوند. هلیم که حدود یک چهارم مایع را تشکیل می‌دهد‌، لکه‌هایی را در داخل هیدروژن فلزی تشکیل می‌دهد که در اعماق سیاره قرار می‌گیرند.

استنلی می‌گوید: “روند کار بسیار کند است.” هلیوم آنقدر نمی‌بارد که به آرامی به پایین لایه باران هلیوم برسد، جایی که فشارها به اندازه کافی زیاد می‌شوند تا هلیوم فلزی شود و می‌تواند در هیدروژن فلزی حل شود.

حل پازل هسته زحل

استنلی درباره کارهای خودش و یان می گوید: “ما یک راه حل پیدا کردیم.” اما نتیجه آنها راههای دیگر برای توضیح فضای عجیب زحل را رد نمی‌کند. “ما دوست داریم اگر افراد دیگر بتوانند راه‌حل‌های دیگری پیدا کنند.”

وی قبلاً با گروه دیگری صحبت کرده است که در حال بررسی امواج ناشی از گرانش در حلقه‌های زحل هستند که به عنوان لرزه‌سنج برای کاوش در داخل سیاره عمل می‌کنند. کریستوفر مانکوویچ و جیم فولر (هر دو در Caltech) در مقاله‌ای که بر روی سرور پیش چاپ arXiv ارسال شده است، پیشنهاد می‌کنند که انتقال بین هسته یخ / سنگ کیوان و پوشش فلز-هیدروژن منتشر شده است، مخلوط با هم در منطقه‌ای تا 60٪ شعاع زحل گسترش می‌یابد. آنها تخمین می‌زنند که این منطقه شامل 17 برابر جرم یخ و سنگ زمین است.

ناسا ماموریت جونو در مشتری را تا سال 2025 تمدید کرده است که به گفته کائو “اطلاعات بسیار دقیقتری در مورد مشتری و زحل برای انجام دیرینه‌شناسی مقایسه‌ای” فراهم می‌کند. این امر می‌تواند به درک بهتری از لایه‌های داخلی دو غول گازی منجر شود و شکل‌گیری کره زمین را در 4.5 بیلیون سال پیش بیشتر روشن کند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

HELIUM RAIN INSIDE SATURN MIGHT SHAPE ITS MAGNETIC FIELD

BY: JEFF HECHT MAY 14, 2021

https://skyandtelescope.org/astronomy-news/helium-rain-inside-saturn-might-shape-its-magnetic-field/