التصميمات الداخلية لعملاق الغاز ، المشتري وزحل ، هي أماكن متطرفة جدًا. عادة عندما نفكر في معدن سائل ، لدينا أفكار حول الزئبق السائل في درجة حرارة الغرفة (أو إعادة تجميع المعدن السائل T-1000 الذي لعبه روبرت باتريك في الفيلم المنهي 2) ، نادرًا ما نعتبر اثنين من أكثر العناصر وفرة في الكون معدنًا سائلًا في ظروف معينة. ومع ذلك ، هذا ما يدعي فريق من علماء الفيزياء من جامعة كاليفورنيا في بيركلي. يمكن للهيليوم والهيدروجين الاختلاط معًا ، مدفوعين بالضغوط الهائلة بالقرب من نوى المشتري وزحل ، لتشكيل سبيكة معدنية سائلة ، وربما تغيير تصورنا لما يكمن تحت تلك العواصف الجوفي ...
عادة يركز علماء الفيزياء والكيميائيون الكوكبيون معظم اهتمامهم على خصائص العنصر الأكثر وفرة في الكون: الهيدروجين. في الواقع ، أكثر من 90 ٪ من كل من المشتري وزحل هو الهيدروجين أيضًا. لكن في الغلاف الجوي لعملاق الغاز ليس ذرة الهيدروجين البسيطة ، بل غاز الهيدروجين دياتوم المعقد بشكل مدهش (أي الهيدروجين الجزيئي ، H2). لذا ، لفهم ديناميات وطبيعة الدواخل الداخلية للكواكب الأكثر ضخامة في نظامنا الشمسي ، يبحث الباحثون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي ولندن في عنصر أبسط بكثير ؛ ثاني أكثر الغازات وفرة في الكون: الهيليوم.
كشف ريموند جانلوز ، الأستاذ في جامعة كاليفورنيا في بيركلي وفريقه ، عن خاصية مثيرة للاهتمام للهيليوم في الضغوط الشديدة التي يمكن ممارستها بالقرب من نوى المشتري وزحل. سيشكل الهيليوم سبيكة معدنية سائلة عند خلطها بالهيدروجين. كان يعتقد أن هذه الحالة نادرة ، لكن هذه النتائج الجديدة تشير إلى أن سبائك الهيليوم المعدني السائل قد تكون أكثر شيوعًا مما كنا نعتقد سابقًا.
“يعد هذا تقدمًا كبيرًا من حيث فهمنا للمواد ، وهذا أمر مهم لأنه من أجل فهم التطور طويل الأمد للكواكب ، نحتاج إلى معرفة المزيد عن خصائصها في أعماقها. والنتيجة مثيرة للاهتمام أيضًا من وجهة نظر فهم سبب كون المواد كما هي ، وما الذي يحدد استقرارها وخصائصها الفيزيائية والكيميائية. " - ريمون جانلوز.
كوكب المشتري على سبيل المثال يمارس ضغطًا هائلاً على الغازات في غلافه الجوي. نظرًا لكتلته الكبيرة ، يمكن للمرء أن يتوقع ضغوطًا تصل إلى 70 مليون غلاف جوي أرضي (لا ، هذا ليس كافيًا لبدء الانصهار ...) ، مما يخلق درجات حرارة أساسية تتراوح بين 10000 إلى 20000 كلفن (وهو أكثر سخونة من 2-4 مرات من صور الشمس!). لذا تم اختيار الهيليوم كعنصر للدراسة في ظل هذه الظروف القاسية ، وهو غاز يشكل 5-10٪ من مادة الكون التي يمكن ملاحظتها.
باستخدام ميكانيكا الكم لحساب سلوك الهليوم تحت ضغوط ودرجات حرارة شديدة مختلفة ، وجد الباحثون أن الهيليوم سيتحول إلى معدن سائل عند ضغط مرتفع للغاية. عادة ، يُعتقد أن الهيليوم هو غاز عديم اللون وشفاف. هذا صحيح في ظروف الغلاف الجوي للأرض. ومع ذلك ، فإنه يتحول إلى مخلوق مختلف تمامًا في 70 مليون غلاف جوي أرضي. وبدلاً من أن يكون غازًا عازلًا ، فإنه يتحول إلى مادة معدنية سائلة موصلة ، مثل الزئبق ، "أقل انعكاسا فقطوأضاف "جانلوز.
تأتي هذه النتيجة كمفاجأة حيث كان يُعتقد دائمًا أن الضغوط الهائلة تجعل من الصعب على عناصر مثل الهيدروجين والهيليوم أن تصبح شبيهة بالمعادن. وذلك لأن درجات الحرارة المرتفعة في مواقع مثل قلب المشتري تتسبب في زيادة الاهتزازات في الذرات ، وبالتالي تشوه مسارات الإلكترونات التي تحاول التدفق في المادة. إذا لم يكن هناك تدفق إلكترون ، تصبح المادة عازلًا ولا يمكن تسميتها بـ "معدن".
ومع ذلك ، تشير هذه النتائج الجديدة إلى أن الاهتزازات الذرية تحت هذه الأنواع من الضغوط لها تأثير معاكس للحدس لإنشاء مسارات جديدة لتدفق الإلكترونات. فجأة يصبح الهيليوم السائل موصلاً ، مما يعني أنه معدن.
في تطور آخر ، يعتقد أن معدن الهيليوم السائل يمكن أن يختلط بسهولة بالهيدروجين. تخبرنا فيزياء الكواكب أن هذا غير ممكن ، ويفصل الهيدروجين والهيليوم مثل النفط والماء داخل أجسام الغاز العملاقة. لكن فريق جانلوز وجد أن العنصرين يمكن أن يختلطا بالفعل ، مما يخلق سبيكة معدنية سائلة. إذا كان الأمر كذلك ، فيجب القيام ببعض إعادة التفكير الجدي في تطور الكواكب.
يطلق كل من المشتري وزحل طاقة أكثر مما توفره الشمس مما يعني أن كلا الكوكبين يولدان طاقتهما الخاصة. الآلية المقبولة لذلك هي تكثيف قطرات الهيليوم التي تسقط من الغلاف الجوي العلوي للكواكب وإلى القلب ، مما يطلق إمكانات الجاذبية حيث يسقط الهيليوم على أنه "مطر". ومع ذلك ، إذا ثبت أن هذا البحث هو الحال ، فمن المحتمل أن يكون الجزء الداخلي العملاق للغاز أكثر تجانساً بكثير مما كان يعتقد سابقًا مما يعني أنه لا يمكن أن يكون هناك قطرات من الهيليوم.
لذا فإن المهمة التالية لـ Jeanloz وفريقه هي العثور على مصدر طاقة بديل لتوليد الحرارة في نوى المشتري وزحل (لذلك لا تذهب لإعادة كتابة الكتب المدرسية بعد ...)
المصدر: جامعة كاليفورنيا في بيركلي
