اورانوس دارای یک میدان مغناطیسی عجیب و غریب است که دانشمندان را به مدت 40 سال گیج کرده است - ممکن است بالاخره بدانیم چرا

میدان‌های مغناطیسی اورانوس و نپتون ممکن است ناشی از شرایط شدیدی باشد که در اعماق درون آنها قرار دارد. کشف رمز و راز پشت میدان های مغناطیسی این دنیاها به ما بینش جدیدی از فضای داخلی کمتر شناخته شده غول های یخی می دهد.

تنها یک فضاپیما تا به حال از اورانوس و نپتون بازدید کرده است، فضاپیمای وویجر 2 که از اورانوس در ژانویه 1986 و نپتون در آگوست 1989 گذشت. وویجر 2 دریافت که میدان‌های مغناطیسی سیاره‌ای آنها، به صراحت بگوییم، ضعیف هستند. میدان مغناطیسی اورانوس 59 درجه از محور چرخشی خود منحرف شده است و حتی در مرکز سیاره قرار ندارد، اما در عوض تنها دو سوم مسیر به پایین است. نپتون نیز مشابه است، با یک میدان مغناطیسی نامنظم که 47 درجه جبران شده و در نیمه راه بین هسته و بالای ابرهای قابل مشاهده آن قرار دارد.

اگر این سیارات را با زمین مقایسه کنیم که دارای میدان مغناطیسی پایداری است که فقط 11 درجه نسبت به چرخش سیاره ما کج شده است، می‌توان دید که میدان‌های مغناطیسی غول‌های یخی چقدر شدید است. در طول سال ها توضیحات مختلفی برای میدان های مغناطیسی عجیب غول های یخی ارائه شده است. اورانوس در مجموع 97 درجه کج شده و به طور موثر به دور خورشید می چرخد، و گمانه زنی ها حاکی از آن است که میلیاردها سال پیش در اثر برخورد با سیاره ای به اندازه زمین که مدت ها گم شده بود، به سمت خود کوبیده شد. آیا این برخورد می تواند میدان مغناطیسی آن را نیز منحرف کند؟

اگر میدان مغناطیسی نپتون نیز بدون تجربه برخورد به طور مشابه دچار انحراف نبود، این ممکن است یک توضیح قابل قبول باشد. واضح است که علت هر چه باشد، باید ذاتی ذاتی دو سیاره غول پیکر یخی باشد. اکنون، یک مطالعه جدید توسط دانشمندان در ایالات متحده و بریتانیا، بر اساس شبیه سازی های کامپیوتری و اندازه گیری های Voyager 2 از میدان های مغناطیسی دو سیاره، ممکن است راه حلی پیدا کرده باشد.

راه‌حل میدان‌های مغناطیسی عجیب غول‌های یخی منظومه شمسی ممکن است به چگونگی ایجاد میدان مغناطیسی سیارات از طریق اثر دینام برگردد. این از حرکت چرخشی و همرفتی یک مایع رسانای الکتریکی در یک جسم دوار ناشی می‌شود که قادر به تولید و حفظ یک میدان مغناطیسی قدرتمند است.

در داخل زمین، سیال رسانای الکتریکی، آهن مذاب در قسمت بیرونی هسته سیاره ما است، و میدان مغناطیسی که تولید می‌کند دارای قطب‌های شمالی و جنوبی شفافی است – چیزی که ما دوقطبی می‌نامیم، پدیده‌ای که می‌توانیم آن را در دو قطب مغناطیسی یک آهن‌ربای میله‌ای ساده نیز ببینیم.

با این حال، شرایط داخل اورانوس و نپتون تا حدودی متفاوت است. به عنوان غول های یخی، آنها حاوی مقدار زیادی مواد فرار هستند - آمونیاک، هیدروژن، هلیوم، متان، و آب اطراف یک هسته سنگی احتمالی. علاوه بر این، اورانوس و نپتون به طور قابل توجهی بزرگتر از زمین هستند و به ترتیب 14.5 و 17 برابر جرم سیاره ما هستند. این جرم افزایش یافته شرایط خرد شدن را در داخل غول های یخی ایجاد می کند.

چی یان، رهبر تیم تحقیقاتی از دانشگاه تگزاس در آستین، که هدایت یافته‌های جدید را بر عهده داشت، در بیانیه‌ای گفت: «در اعماق درون اورانوس و نپتون، فشارها و دما بسیار بالا می‌رود. تحت چنین شرایطی، که می‌تواند باعث شود مولکول‌های آب از هم جدا شوند و به یون تبدیل شوند، ممکن است این ماده با عمق بیشتر رسانای الکتریکی شود.

نمودارهایی که میدان های مغناطیسی پیچیده اورانوس (سمت چپ) و نپتون را نشان می دهد (اعتبار تصویر: Yan et al.) با توجه به افزایش رسانایی الکتریکی و ترکیبات دو سیاره، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری توانستند میدان‌های مغناطیسی عجیب اورانوس و نپتون را تکرار کنند. این نشان داد که چگونه ساختار میدان مغناطیسی در کنار تغییرات در حرکت سیال ناشی از همرفت و دمای درون سیارات، تکامل می‌یابد.

همچنین به نظر می رسد که این تکامل مشترک ممکن است هنوز تمام نشده باشد. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که میدان‌های مغناطیسی هر دو سیاره می‌توانند در عرض چند دهه کاملا تغییر کنند.

یان می‌گوید: «شیب مغناطیسی زمین در طی 50 سال فقط یک درجه یا بیشتر جابجا می‌شود. مدل‌های ما نشان می‌دهند که غول‌های یخی می‌توانند رفتار بسیار متفاوتی داشته باشند. در برخی از بخش‌ها، شیب ده‌ها درجه در عرض چند دهه تغییر می‌کند. در برخی دیگر، فقط کمی در همان بازه تغییر می‌کند.

اورانوس توسط وویجر 2 در سال 1986 مشاهده شد (اعتبار تصویر: NASA/JPL-Caltech) ناسا یک ماموریت جدید را برای بازگشت به اورانوس در اوایل دهه 2040 در اولویت قرار داده است، در حالی که ماموریت Tianwen-4 اداره ملی فضایی چین که در سال 2029 به مشتری پرتاب می شود، یک کاوشگر کوچک را برای انتقال به اورانوس از طریق یک تیرکمان گرانشی مستقر خواهد کرد. تا آن زمان، دانشمندان راه‌های خلاقانه‌ای را ارائه می‌کنند تا تنها به اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی 40 ساله وویجر 2 تکیه نکنند.

به عنوان مثال، تام استالارد از دانشگاه نورثومبریا در بریتانیا، که با یان در مقاله تحقیقاتی جدید نویسنده مشترک است، رصدهای تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) از نورهای شفق مادون قرمز ضعیف در اورانوس و نپتون را هدایت کرده است. شفق‌های قطبی زمانی ایجاد می‌شوند که ذرات باردار در باد خورشیدی با میدان مغناطیسی سیاره تعامل داشته باشند و برخی از آن ذرات باردار را به اتمسفر بالای قطب‌های مغناطیسی هدایت کنند.

(نپتون در واقع دارای یک جزء چهار قطبی است که قطب های مغناطیسی تعریف شده شمالی و جنوبی آن را به هم می زند.) به این ترتیب، مکان شفق ها نشانگر خوبی از آنچه در میدان مغناطیسی یک سیاره می گذرد است.

استالارد می‌گوید: «ما مشغول کار بر روی آنچه در این مشاهدات وجود دارد، هستیم، اما شکل و ساختار شفق و همچنین دیگر الگوهای عجیب و غریب در یونوسفر [بالای جو] این نوید را به ما می‌دهد که بفهمیم چگونه میدان‌های مغناطیسی تغییر کرده‌اند، [که] یک پله مهم است.

امید این است که با ترکیب مشاهدات JWST از شفق قطبی با اندازه‌گیری‌های میدان مغناطیسی وویجر 2 و نتایج شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، بتوان پیکربندی میدان‌های مغناطیسی اورانوس و نپتون امروزی را تخمین زد و مشاهده کرد که چگونه آنها با دهه 1980 مقایسه می‌شوند.

این یک آزمایش آزمایشی برای کمک به نشان دادن اینکه آیا مدل جدیدی که میدان‌های مغناطیسی را توصیف می‌کند در مسیر درستی قرار دارد یا خیر ارائه می‌کند، اگرچه تا زمانی که ماموریت جدیدی در حیاط خلوت غول‌های یخی نرسد، مطمئنا نمی‌دانیم.

این یافته ها در 3 نوامبر در مجله Communications Physics شرح داده شد.