عند الشراء من خلال روابط على مقالاتنا ، قد يكسب المستقبل وشركاء المشاركة في العمولة.
يقول العلماء إن توضيحًا لفنانًا لكوكب المشتري الساخن Exoplanet Corot 2B ، والذي يحتوي على نقطة ساخنة غربًا غربًا في جوها. | الائتمان: T. Pyle (IPAC)/NASA/JPL-Caltech
عندما يولد كوكب من جيوب دوامة من الغاز الجزيئي والغبار الذي يحيط بنجمة شابة ، فإنه يتشكل في ظروف من الجاذبية الشديدة والضغط. هذه العملية عنيفة ، والمراحل الأولى من حياة الكوكب هي فوضوية ، وغالبا ما تكون عوالم حديثي الولادة حارقة.
لقد افترض العلماء منذ فترة طويلة أنه في ظل هذه الظروف القاسية ، فإن المواد الخام المشاركة في تشكيل العوالم – الغاز والجليد والصخور ومزيج من المعادن – لا تتفاعل كثيرًا مع بعضها البعض. ومع ذلك ، فقد حان الوقت لإعادة النظر في هذه الفكرة. تساءل فريق من الباحثين من جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس وجامعة برينستون عن هذا الافتراض ، يتساءل بدلاً من ذلك إذا كان هناك كوكب يتشكل خارج نظامنا الشمسي – وهو خارجي – يمكن أن يكون مختبرًا طبيعيًا تتفاعل فيه الجزيئات بطرق مفاجئة في حرارة الغلاف الجوي والأساسي.
وقال لارس ستيكسرود ، الأستاذ في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ، لـ Space.com: “تفترض النماذج القياسية للكواكب أن هذه اللبنات الأساسية لا تتفاعل مع بعضها البعض”. “مع اكتشاف العديد من الكواكب الجديدة ، وخاصة أولئك الذين لديهم أجواء هيدروجين سميكة تحيط بالديكورات الداخلية المصلية من الماء أو الصخور أو كليهما – تساءلنا عما إذا كان هذا الافتراض يحمل حقًا ، خاصة بالنظر إلى الظروف القاسية الممكنة داخل الكواكب حيث لا يكون فهمنا للفيزياء راسخًا”.
تمت دراسة تطور الكواكب الغنية بالمياه على نطاق واسع ، على الرغم من ذلك عادةً بموجب هذا الافتراض: أن أجواءها الغنية بالهيدروجين لا تتفاعل مع التصميمات الداخلية الغنية بالماء. لكن Stixrude ومؤلفوه المشاركين ، Akash Gupta و Hilke Schlichting ، يشيرون إلى أن ديناميكية فريدة بين الماء والهيدروجين يمكن أن يكون لها آثار عميقة على أننا في عداد المفقودين في نماذج التطور الكوكبي لدينا.
لمعرفة كيفية تفاعل نظام يتكون من الهيدروجين والماء إذا كان موجودًا معًا في عالم آخر ، أجرى الفريق عمليات محاكاة قائمة على الكمبيوتر تصمم ديناميات الجزيئات على مستوى الكم.
وقال غوبتا ، طالب الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في وقت الدراسة ، “فكر في تجاربنا الحسابية كمختبر رقمي صغير حيث نضع مئات من جزيئات الهيدروجين والماء في صندوق”.
“ثم ندع ميكانيكا الكم تحكم كيف تتصرف هذه الجزيئات تحت ضغوط ودرجات حرارة مختلفة ، على غرار الظروف داخل الكواكب”. “هذه العملية تساعدنا على تعيين الظروف الكوكبية التي تفضل الخلط أو الانفصال وإلى أي درجة.”
حدد الباحثون “منحنى حرج” في علاقة درجة حرارة الضغط لمزيج الماء الهيدروجيني-وهو حدود حيث الانتقال الهيدروجين والماء من الخلط بالكامل إلى سائل واحد إلى الانفصال مرة أخرى إلى مرحلتين متميزتين.
“عندما تكون الكواكب صغيرة أو ساخنة ، يمكن أن تكون الداخلية على الجانب الأكثر دفئًا من هذا [pressure–temperature] قال غوبتا: “المنحنى ، الذي يخبرنا أن الهيدروجين والماء سيخلطان تمامًا فيها ، بينما تبرد الكواكب مع تقدم العمر ، قد تنخفض في النهاية إلى الجانب الأكثر برودة من هذا المنحنى وسيبدأ بعد ذلك في الانفصال”.
تصوير فنان لكوكب شاب عملاق يدور حول نجمه. | الائتمان: ناسا/JPL-Caltech
ولعل الجزء الأكثر إثارة للاهتمام من المحاكاة هو أن الفريق يتنبأ بأنه مع تبريد الكوكب ويفصل الماء ، فإن الكوكب سيشهد “المطر” على مستوى الكوكب لأنه يغرق في الغلاف الجوي. “يمكن أن يؤدي ذلك إلى تغيير في تكوين أجواء الكوكب: ظهور جو غني بالهيدروجين والداخلية الغنية بالمياه ، بالإضافة إلى وجود آثار على ميزانية الطاقة للكوكب” ، قال شليشتينغ ، أستاذ في UCLA ، لـ Space.com.
إذا أصبح الكوكب باردًا بدرجة كافية وفصل الهيدروجين والماء في وقت مبكر من تطوره ، تقول غوبتا إن طبقة من الماء فوق الحرج يمكن أن تتشكل تحت جو الهيدروجين – وبالتالي إلقاء ضوء جديد على كيفية وجود الكواكب ذات المحيطات السائلة.
يمكن أن تساعد هذه النتائج أيضًا في حل لغز طويل الأمد يحيط بالحقول المغناطيسية خارج الكيلتر في نبتون وأورانوس. وقال غوبتا: “يتم توليد الحقول المغناطيسية في الكواكب عن طريق تدفق المواد الموصلة بعمق داخلها”. “في الضغوط المرتفعة ودرجات الحرارة ، كما هو متوقع داخل أورانوس ونبتون ، يمكن أن يصبح الهيدروجين والماء ذريًا وشبيهًا بالمعادن ، أي موصلات جيدة للكهرباء.”
“هذا الخليط نفسه يمكن أن […] اشرح الحقول المغناطيسية الغامضة لأورانوس ونبتون ، والتي لا تشبه أي جسم كوكبي آخر في نظامنا الشمسي ، “في السابق ، لم تُعزى هذه الحقول المغناطيسية إلى طبقات نقية من الماء أو الجليد ، لأن الفيزياء وراء تفاعلات الهيدروجين والمياهية كانت غير متوقعة إلى حد كبير.”
توفر دراسات مثل هذه منصة قيمة بشكل لا يصدق لاستكشاف حدود الفيزياء والكيمياء كما نعرفها. توفر نوى الكواكب بيئة فريدة من نوعها للتغلب على هذه الحقول ، مما يتحدى فهمنا الحالي وربما يكشف عن مبادئ جديدة يمكن أن تعيد تشكيلها.
القصص ذات الصلة:
– ما هو الفرق بين الكواكب الخارجية الشابة وواحدة قديمة؟
-هل تستضيف Exoplanet K2-18b الحياة الغريبة أم لا؟ هذا سبب استمرار النقاش
– استخدم العلماء أدوات JWST “خاطئة” عن قصد لالتقاط الصور المباشرة للكواكب الخارجية
وقال غوبتا: “غالبًا ما نفترض أن الفيزياء والكيمياء مفهومة تمامًا ، ولكن عندما نغوص في الظروف القاسية في أعماق الكواكب – تضغط على الآلاف إلى ملايين المرات أكبر من الغلاف الجوي للأرض ودرجات الحرارة الساخنة بما يكفي لإذابة الصخور – ندرك بسرعة مدى اكتشافها بعد”. “هذا صحيح بشكل خاص في مجال الكواكب الخارجية الناشئة ، حيث تعد رؤى سد الفيزياء الفلكية والعلوم الكوكبية والعلوم الجيولوجية والكيمياء ضرورية إذا أردنا أن نفهم حقًا الأنظمة المعقدة بشكل لا يصدق [of] الكواكب وأجواءهم “.
يقول الفريق إنهم يخططون لتوسيع عمليات المحاكاة الجزيئية لتشمل جزيئات تشكيل الصخور والجليد لفهم كيف يمكن أن تتعايش والتفاعل مع جو الكوكب القائم على الهيدروجين ، والداخلية ، وغيرها من الغازات ، مثل الهيليوم ، والتي قد تكون موجودة.
“هذه الأفكار الجديدة عند تقاطع الكيمياء والفيزياء تساعدنا بالتالي على استكشاف المناطق المجهولة” ، وخلص شليشتينغ. “يمكن لكل نتيجة جديدة إعادة تشكيل فهمنا للكواكب ، وقابليتها للسكن ، ومكاننا في هذا الكون.”