هل هناك حقًا “مطر ماسي” على أورانوس ونبتون

يوضح هذا الرسم التوضيحي المطر الماسي على نبتون. (رصيد الصورة: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

عملاق الجليد أورانوس ونبتون لا يحصلان على ما يكفي من الضغط ؛ كل الاهتمام يذهب إلى أشقائهم الأكبر ، كوكب المشتري العظيم وزحل الرائع.

للوهلة الأولى ، أورانوس ونبتون مجرد كرات مملة من الجزيئات غير المثيرة للاهتمام. لكن الاختباء تحت الطبقات الخارجية لتلك العوالم ، قد يكون هناك شيء مذهل: مطر مستمر من الماس.

قد تستحضر “عمالقة الجليد” صورة مخلوق تولكين-إيسك ، ولكن هذا الاسم يستخدمه علماء الفلك لتصنيف الكواكب الخارجية للنظام الشمسي ، أورانوس ونبتون.

من المربك أن الاسم لا علاقة له بالثلج بالمعنى الذي تتعرف عليه عادةً – مثل مكعبات الثلج في مشروبك. يأتي التمييز مما تتكون منه هذه الكواكب. عملاق الغاز في النظام ، كوكب المشتري وزحل ، مصنوعان بالكامل تقريبًا من الغاز: الهيدروجين والهيليوم. من خلال التراكم السريع لتلك العناصر تمكنت هذه الكواكب الضخمة من الانتفاخ إلى حجمها الحالي.

في المقابل ، يتكون معظم أورانوس ونبتون من الماء والأمونيا والميثان. يطلق علماء الفلك على هذه الجزيئات اسم “الجليد” ، ولكن لا يوجد سبب وجيه لذلك ، باستثناء أنه عندما تشكلت الكواكب لأول مرة ، كانت هذه العناصر على الأرجح في شكل صلب.

في الأعماق الجليدية (ليس كذلك)

في أعماق القمم السحابية الخضراء أو الزرقاء لأورانوس ونبتون ، يوجد الكثير من الماء والأمونيا والميثان. لكن من المحتمل أن يكون لهذه العمالقة الجليدية نوى صخرية محاطة بعناصر من المحتمل أن تكون مضغوطة في حالات كمومية غريبة. في مرحلة ما ، تنتقل هذه الغرابة الكمية إلى “حساء” شديد الضغط يخف عمومًا كلما اقتربت من السطح.

لكن الحقيقة تُقال ، نحن لا نعرف الكثير عن التصميمات الداخلية لعمالقة الجليد. كانت آخر مرة حصلنا فيها على بيانات عن قرب لهذين العالمين قبل ثلاثة عقود ، عندما انطلقت فوييجر 2 في مهمتها التاريخية.

منذ ذلك الحين ، استضاف كل من كوكب المشتري وزحل العديد من المسابير المدارية ، لكن وجهات نظرنا حول أورانوس ونبتون اقتصرت على ملاحظات التلسكوب.

لمحاولة فهم ما بداخل تلك الكواكب ، يجب على علماء الفلك وعلماء الكواكب أن يأخذوا تلك البيانات الضئيلة ودمجها مع التجارب المعملية التي تحاول تكرار ظروف تلك الكواكب الداخلية. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدمون بعض الحسابات القديمة الجيدة – الكثير منها. تساعد النمذجة الرياضية علماء الفلك على فهم ما يحدث في موقف معين بناءً على بيانات محدودة.

ومن خلال هذا المزيج من النمذجة الرياضية والتجارب المعملية أدركنا أن أورانوس ونبتون قد يكون لهما ما يسمى بأمطار الماس.

إنها تمطر الماس

تم اقتراح فكرة المطر الماسي لأول مرة قبل مهمة Voyager 2 التي تم إطلاقها في عام 1977. كان المنطق بسيطًا للغاية: نحن نعرف ما يتكون منه أورانوس ونبتون ، ونعلم أن الأشياء تزداد سخونة وكثافة كلما تعمق كوكبنا. . تساعد النمذجة الرياضية في ملء التفاصيل ، مثل أن المناطق الأعمق من أغطية هذه الكواكب تحتوي على درجات حرارة في مكان ما حوالي 7000 كلفن (12،140 درجة فهرنهايت ، أو 6727 درجة مئوية) وتضغط 6 ملايين مرة عن الغلاف الجوي للأرض.

تخبرنا هذه النماذج نفسها أن الطبقات الخارجية من الوشاح تكون أكثر برودة إلى حد ما – 2000 كلفن (3140 فهرنهايت أو 1727 درجة مئوية – وأقل ضغطًا إلى حد ما (200000 ضعف ضغط الغلاف الجوي للأرض). لذلك ، من الطبيعي أن نسأل: ماذا يحدث للماء والأمونيا والميثان في تلك الأنواع من درجات الحرارة والضغوط؟

مع الميثان ، على وجه الخصوص ، يمكن للضغوط الشديدة أن تكسر الجزيء ، مما يطلق الكربون. ثم يجد الكربون أشقائه ، ويشكل سلاسل طويلة. ثم تضغط السلاسل الطويلة معًا لتشكل أنماطًا بلورية مثل الماس.

ثم تتساقط تشكيلات الألماس الكثيفة عبر طبقات الوشاح حتى تصبح شديدة السخونة ، حيث تتبخر وتطفو مرة أخرى وتكرر الدورة – ومن هنا جاء مصطلح “مطر الماس”.

الماس المزروع في المختبر

أفضل طريقة للتحقق من صحة هذه الفكرة هي إرسال مركبة فضائية إلى أورانوس أو نبتون. لن يكون هذا خيارًا في أي وقت قريبًا ، لذلك علينا أن نتبع الطريقة الثانية الأفضل: التجارب المعملية.

على الأرض ، يمكننا إطلاق أشعة ليزر قوية على الأهداف لتكرار درجات الحرارة والضغوط الموجودة داخل عمالقة الجليد لفترة وجيزة جدًا. تمكنت إحدى التجارب باستخدام البوليسترين (المعروف أيضًا باسم الستايروفوم) من صنع ماس بحجم النانو. لا ، لا يحتوي أورانوس ونبتون على كميات هائلة من البوليسترين ، لكن البلاستيك كان أسهل بكثير من التعامل مع الميثان في المختبر ، ويفترض أنه يتصرف بشكل مشابه جدًا.

أيضًا ، يمكن لأورانوس ونبتون الحفاظ على هذه الضغوط لفترة أطول بكثير من الليزر المختبر ، لذلك من المفترض أن ينمو الماس ليكون أكبر بكثير من حجم النانو.

النتيجة النهائية؟ بناءً على كل ما نعرفه عن تكوين عمالقة الجليد وهياكلهم الداخلية ونتائج التجارب المعملية والنمذجة الرياضية لدينا ، فإن المطر الماسي شيء حقيقي للغاية.

بول إم سوتر عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية نيويورك ستوني بروك ومعهد فلاتيرون ، مضيف “اسأل رائد فضاء” و “راديو الفضاء” ، ومؤلف كتاب “كيف تموت في الفضاء”.