غول های یخی اورانیوم و نپتون تقریباً به اندازه کافی فشار نمی آورید. تمام توجهات معطوف به برادران و خواهران بزرگترشان، مشتری قدرتمند و زحل باشکوه است.
در نگاه اول، اورانوس و نپتون فقط توپ های نرم و کسل کننده ای از مولکول های غیر جالب هستند. اما در زیر لایه‌های بیرونی این دنیاها، ممکن است چیزی تماشایی وجود داشته باشد: باران دائمی الماس.
متصل: باران الماسی از سیارات یخی، ایجاد شده در آزمایشگاه لیزر
"غول های یخی" ممکن است تصویر موجودی به سبک تالکین را تداعی کند، اما این نامی است که اخترشناسان برای دسته بندی دورترین سیارات جهان از آن استفاده می کنند. منظومه شمسی، اورانوس و نپتون.
با این حال، گیج کننده است که این نام هیچ ربطی به یخ ندارد به معنایی که معمولاً آن را تشخیص می دهید - مثلاً، تکه های یخ در نوشیدنی شما. وجه تمایز این است که این سیارات از چه چیزی ساخته شده اند. غول های گازی سیستم، سیاره مشتری و زحل، تقریباً به طور کامل از گاز ساخته شده اند: هیدروژن و هلیوم. به دلیل تجمع سریع این عناصر، این سیارات عظیم توانستند به اندازه فعلی خود متورم شوند.
در مقابل، اورانوس و نپتون بیشتر از آب، آمونیاک و متان ساخته شده اند. اخترشناسان معمولاً این مولکول ها را "یخ" می نامند، اما واقعاً دلیل خوبی برای این موضوع وجود ندارد، به جز اینکه زمانی که سیارات برای اولین بار شکل گرفتند، احتمالاً این عناصر به شکل جامد بودند.
در اعماق (نه چندان) یخی
در اعماق قله های ابر سبز یا آبی اورانوس و نپتون مقدار زیادی آب، آمونیاک و متان وجود دارد. اما این غول‌های یخی احتمالاً هسته‌های صخره‌ای دارند که توسط عناصری احاطه شده‌اند که احتمالاً به حالت‌های کوانتومی عجیب و غریب فشرده شده‌اند. در یک نقطه، این عجیب و غریب کوانتومی تحت فشار بیش از حد به "سوپ" تبدیل می شود، که معمولا هر چه به سطح نزدیکتر می شوید، رقیق می شود.
اما راستش را بخواهید، ما چیز زیادی در مورد فضای داخلی غول های یخی نمی دانیم. آخرین باری که ما داده های نزدیک به این دو جهان را به دست آوردیم، سه دهه پیش بود ویجر 2 به ماموریت تاریخی خود رفت.
مشتری و زحل از آن زمان میزبان بسیاری از کاوشگرهای مداری بوده اند، اما دیدگاه های ما از اورانوس و نپتون به رصدهای تلسکوپی محدود می شود.
ستاره شناسان و دانشمندان سیاره‌شناس برای درک آنچه درون این سیارات وجود دارد، باید این داده‌های کمیاب را بگیرند و آنها را با آزمایش‌های آزمایشگاهی که سعی در بازتولید شرایط درون این سیارات دارند، ترکیب کنند. آنها همچنین از ریاضیات قدیمی خوب استفاده می کنند - مقدار زیادی از آن. مدل‌سازی ریاضی به اخترشناسان کمک می‌کند تا بر اساس داده‌های محدود بفهمند در یک موقعیت چه اتفاقی می‌افتد.
و از طریق این ترکیبی از مدل‌سازی ریاضی و آزمایش‌های آزمایشگاهی بود که فهمیدیم اورانوس و نپتون می‌توانند به اصطلاح باران الماسی داشته باشند.
متصل: عکس های شگفت انگیز از طوفان هیولایی در جو زحل
باران الماس می بارد
ایده باران الماس برای اولین بار قبل از ماموریت وویجر 2 که در سال 1977 آغاز شد، مطرح شد. استدلال بسیار ساده بود: ما می دانیم که اورانوس و چه چیزهایی هستند. نپتون ازو ما می دانیم که هر چه چیزها داغ تر و متراکم تر شوند، شما به عمق یک سیاره می روید. مدل‌سازی ریاضی به پر کردن جزئیات کمک می‌کند، از جمله اینکه درونی‌ترین مناطق گوشته‌های این سیارات احتمالاً دمایی در حدود ۷۰۰۰ کلوین (۱۲۱۴۰ درجه فارنهایت یا ۶۷۲۷ درجه سانتی‌گراد) و فشار ۶ میلیون برابر بیشتر دارند. اتمسفر زمین.
همین مدل‌ها به ما می‌گویند که بیرونی‌ترین لایه‌های گوشته کمی خنک‌تر هستند - 2000 کلوین (3140 فارنهایت یا 1727 درجه سانتی‌گراد) و فشار کمی کمتر (200000 برابر فشار اتمسفر زمین) تا از خود بپرسیم: برای آب چه می‌شود. ، آمونیاک و متان در این نوع دما و فشار؟
به ویژه با متان، فشارهای شدید می تواند مولکول را بشکند و کربن آزاد کند. سپس کربن همتایان خود را پیدا می کند و زنجیره های بلندی را تشکیل می دهد. زنجیره های بلند سپس فشرده می شوند تا الگوهای کریستالی مانند الماس را تشکیل دهند.
سپس تشکیلات الماس متراکم از میان لایه‌های گوشته می‌افتند تا زمانی که بیش از حد داغ شود، جایی که تبخیر می‌شوند و به عقب شناور می‌شوند و چرخه را تکرار می‌کنند - از این رو اصطلاح "باران الماس" نامیده می‌شود.
الماس های آزمایشگاهی
بهترین راه برای تایید این ایده ارسال یک سفینه فضایی به اورانوس یا نپتون است. این به زودی گزینه ای نخواهد بود، بنابراین باید به دومین راه برتر برویم: آزمایش های آزمایشگاهی.
بر زمین، می توانیم لیزرهای قدرتمندی را به اهداف شلیک کنیم تا دما و فشارهای موجود در غول های یخی را برای مدت بسیار کوتاهی تکرار کنیم. آزمایشی با پلی استایرن (همچنین به عنوان پلی استایرن شناخته می شود) توانست انجام دهد الماس در ابعاد نانو. نه، اورانوس و نپتون حاوی مقادیر زیادی پلی استایرن نیستند، اما کار با پلاستیک بسیار ساده تر از متان در آزمایشگاه است و احتمالاً رفتار بسیار مشابهی دارد.
علاوه بر این، اورانوس و نپتون می‌توانند این فشار را بسیار طولانی‌تر از لیزر آزمایشگاهی حفظ کنند، بنابراین الماس‌ها احتمالاً می‌توانند بسیار بزرگتر از مقیاس نانو رشد کنند.
نتیجه نهایی؟ بر اساس هر آنچه در مورد ترکیب غول های یخی، ساختارهای داخلی آنها، نتایج آزمایش های آزمایشگاهی و مدل سازی ریاضی ما می دانیم، باران الماس یک چیز بسیار واقعی است.
پل ام. ساتر یک اخترفیزیکدان در رویاها Stony Brook and the Flatiron Institute، میزبان برنامه "از فضانورد بپرس" و "رادیو فضایی، "و نویسنده"چگونه در فضا بمیریم"
با گوش دادن به پادکست Ask the Astronaut در دسترس بیشتر بیاموزید iTunes و askaspaceman.com. سوال خود را در توییتر با استفاده از #AskASpaceman یا دنبال کردن پل بپرسید @PaulMattSutter و facebook.com/PaulMattSutter.