Bild https://vcresearch.berkeley.edu En sprängskiss av en isjätteplanet som Uranus eller Neptunus. I en ny teori föreslås att under den täta atmosfären finns ett vattenrikt lager (blått) som har separerats från ett djupare lager av hett, högtryckskol, kväve och väte (bärnsten). Trycket pressar ut väte ur metan- och ammoniakmolekyler och skapar skiktade kolväteskikt som inte kan blandas med vattenskiktet, vilket förhindrar konvektionen vilket skapar ett dipolärt magnetfält. Bild med tillstånd av tidningen Quanta till https://vcresearch.berkeley.edu.
Planetforskare har två teorier
om vad som kan finnas under de tjocka, blåaktiga väte- och
heliumatmosfärerna av isjättarna Uranus och Neptunus antingen finns diamantregn
eller superjoniskt vatten.
Burkhard Militzer, planetforskare vid University of California,
Berkeley, föreslår nu en alternativ teori - att det inre av dessa planeter är
skiktat i två lager och att dessa två lagren likt olja och vatten på jorden inte blandas.
Denna konfiguration förklarar planeternas ovanliga magnetfält på ett troligt sätt och antyder att det är osannolikt att tidigare teorier om planeternas inre
skulle bestå av diamantregn eller superjoniskt vatten inte är sant.
I en artikel som publiceras nyligen i tidskriften Proceedings of the
National Academy of Sciences, hävdar Burkhard Militzer att en djup ocean av
vatten ligger precis under molnlagren och under vattnet en mycket komprimerad
vätska av kol, kväve och väte. Datorsimuleringar visar att temperaturerna
och trycket i planeternas inre bildat en kombination av vatten (H2O), metan (CH3) och
ammoniak (NH3) som skulle naturligt separeras i två lager, främst på grund av att
väte skulle pressas ut ur metan och ammoniak som utgör en stor del av det inre.
Dessa oblandbara lager skulle förklara varför varken Uranus eller
Neptunus har ett magnetfält likt jordens. Det var en av de överraskande
upptäckterna om vårt solsystems isjättar som gjordes av Voyager 2-uppdraget i
slutet av 1980-talet. Då en planet svalnar från sin yta och nedåt sjunker kall
och tätare materia medan klumpar av varmare vätska stiger upp som kokande
vatten - en process som kallas konvektion. Om interiören är elektriskt ledande
kommer ett tjockt lager av konvekterande material att generera ett
dipolmagnetfält som liknar det för en stavmagnet. Jordens dipolfält, skapat av
dess flytande yttre järnkärna vilket producerade ett magnetfält som går i en
slinga från nordpolen till sydpolen och är anledningen till att kompasserna
pekar mot polerna.
Men Voyager 2 upptäckte att ingen av de två isjättarna har ett sådant
dipolfält utan istället oorganiserade magnetfält. Detta innebär att det inte finns
någon konvektiv rörelse av materia i ett tjockt lager i planeternas djupa inre.
För att förklara dessa observationer föreslog två olika forskargrupper
för mer än 20 år sedan att planeterna måste ha lager som inte kan blandas vilket förhindrar storskalig konvektion och ett globalt dipolärt magnetfält.
Konvektion i ett av lagren kan dock ge upphov till ett oorganiserat magnetfält.
Men ingen av forskargrupperna kunde förklara vad dessa icke-blandande lager bestod av.
För tio år sedan försökte Militzer upprepade gånger lösa problemet med
hjälp av datorsimuleringar bestående av cirka 100 atomer där proportionerna av kol, syre,
kväve och väte speglade den kända sammansättningen av grundämnena i det tidiga
solsystemet. Vid de tryck och temperaturer som förutspåddes för planeternas
inre – 3,4 miljoner gånger jordens atmosfärstryck respektive ca 4450 Celcius
kunde han inte hitta hur dessa lager kunde bildas.
Förra året kunde han dock med hjälp av maskininlärning köra en
datormodell som simulerade beteendet hos 540 atomer och fann då att lager bildas naturligt när atomerna värms upp och komprimeras.
– En dag tittade jag på modellen och då hade vattnet separerats från
kol och kväve. Det jag inte kunde göra för 10 år sedan hände nu, beskriver han. Det ena är vattenrikt
och det andra är kolrikt, och i Uranus och Neptunus är det det kolrika systemet
som ligger under. Den tunga delen stannar i botten och den lättare delen
stannar på toppen och den kan inte göra någon konvektion.'"
"Jag kunde inte upptäcka detta utan att ha ett större system av
atomer detta system kunde jag inte simulera för 10 år sedan",
tillade han.
Mängden väte som pressas ut ökar med tryck och djup och bildar ett
stabilt skiktat kol-kväve-väteskikt, nästan som plastpolymer, beskriver han.
Medan det övre, vattenrika lagret sannolikt konverterar för att producera det
observerade oorganiserade magnetfältet, kan det djupare, stratifierade
kolväterika lagret inte göra det.
När han modellerade gravitationen som produceras av Uranus och Neptunus
i flera lager, matchade gravitationsfälten de som uppmättes av Voyager 2 för
nästan 40 år sedan. Militzer förutspår att under Uranus 3 000 mil tjocka
atmosfär finns ett vattenrikt lager som är cirka 5 000 mil tjockt och under
det ett kolväterikt lager som även detta är cirka 5 000 mil tjockt. Uranus steniga
kärna är ungefär lika stor som planeten Merkurius. Även om Neptunus är mer
massiv än Uranus är den mindre i diameter med en tunnare atmosfär, men med lika
tjocka vattenrika och kolväterika lager. Dess steniga kärna är något större än
Uranus, ungefär lika stor som Mars.
Forskningen stöddes av National Science Foundation (PHY-2020249) som en
del av Center for Matter at Atomic Pressures.
