باران‌هایی از جنس الماس؛ حقیقت شگفت‌انگیز اورانوس و نپتون

یکی از پدیده‌های شگفت‌انگیز سیاره‌های غول یخی مثل اورانوس و نپتون، بارش الماس است که دانشمندان در آزمایشگاه موفق به شبیه‌سازی آن شدند.

غول‌های یخی اورانوس و نپتون چندان در مرکز توجه نیستند و بیشتر به همتایان بزرگ‌تر آن‌ها، یعنی مشتری و زحل توجه می‌شود. در نگاه اول، اورانوس و نپتون تنها توپ‌های کسل‌کننده و آرامی هستند که از مولکول‌هایی نه‌چندان جذاب تشکیل شده‌اند؛ اما زیر لایه‌های بالایی این دنیاها می‌توان انتظار دنیایی چشم‌نواز را داشت: بارش پیوسته‌ی الماس.

کلمه‌ی «غول یخی» شاید یادآور رمان‌های علمی‌تخیلی باشد؛ اما ستاره‌شناسان از این کلمه برای دسته‌بندی خارجی‌ترین سیاره‌های منظومه‌ی شمسی یعنی اورانوس و نپتون استفاده می‌کنند. نام غول یخی کمی گیج‌کننده است؛ زیرا برخلاف تصور شباهت زیادی به یخی ندارد که در زندگی روزمره می‌بینید. این تمایز از ترکیب سیاره‌ها ناشی می‌شود. بخش زیادی از غول‌های گازی مثل مشتری و زحل از گازهای هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است. این سیاره‌ها با انباشته‌سازی سریع عناصر هیدروژن و هلیوم به‌اندازه‌ی فعلی خود رسیده‌اند. درمقابل، بخش زیادی از سیاره‌های نپتون و اروانوس از آب و آمونیاک و متان تشکیل شده‌اند. ستاره‌شناسان به این مولکول‌ها «یخ» می‌گویند؛ زیرا به شکل جامد هستند.

در اعماق یخی

در اعماق ابرهای آبی و سبز اورانوس و نپتون، مقادیر زیادی آب و آمونیاک و متان وجود دارد؛ اما این غول‌های یخی احتمالاً هسته‌هایی سنگی دارند. این هسته‌ها احتمالاً با عناصری احاطه شده‌اند که در حالت‌های اگزوتیک کوانتومی فشرده شده‌اند. در برخی نقاط، گذارهای عجیب کوانتومی به سوپی پرفشار تبدیل می‌شوند که با نزدیک‌شدن به سطح باریک‌تر می‌شود.

هنوز داده‌های زیادی از محیط داخلی این غول‌های یخی دردسترس نیست. بشر آخرین بار سه دهه پیش به‌واسطه‌ی مأموریت تاریخی کاوشگر وویجر ۲ به داده‌هایی از اورانوس و نپتون دسترسی پیدا کرد. از آن زمان، مشتری و زحل میزبان کاوشگرهای متعددی بوده‌اند؛ بااین‌حال نگاه ما به اورانوس و نپتون محدود به رصدهای تلسکوپی است.

ستاره‌شناسان و دانشمندان سیاره‌ای در تلاش برای درک فضای داخلی سیاره‌ها داده‌های اندک خود را با آزمایش‌‌های خود ترکیب و تلاش کردند شرایط فضای داخلی این سیاره‌ها را شبیه‌سازی کنند. آنان از مدل‌سازی‌های ریاضی نیز استفاده کردند. ستاره‌شناسان با مدل‌سازی ریاضی می‌توانند با استفاده از داده‌های محدود به اتفاقات محیطی مشخص پی ببرند. آن‌ها با ترکیب مدل‌سازی ریاضی و آزمایش‌ها به وجود باران‌های الماس اورانوس و نپتون پی بردند.

این تصویرسازی بارش الماس در نپتون را نمایش می‌دهد

باران‌هایی از جنس الماس

ایده‌ی باران الماس اولین‌بار پیش از مأموریت وویجر ۲ مطرح شد. این استدلال بسیار ساده است: می‌دانیم اورانوس و نپتون از چه عناصری تشکیل شده‌اند. همچنین، می‌دانیم با رفتن به اعماق سیاره‌ها مواد داغ‌تر و متراکم‌تر می‌شوند. با مدل‌سازی ریاضی می‌توان جزئیات را افزایش داد. برای مثال، بخش‌های داخلی‌تر و گوشته‌ی این سیاره‌ها احتمالاً دمای تقریبی ۶۷۲۷ درجه‌ی سانتی‌گراد و فشار تقریبی ۶ میلیون برابر فشار جو زمین دارند.

این مدل‌ها نشان می‌دهند لایه‌های بالایی گوشته کمی سردتر هستند. دما در این لایه‌ها می‌تواند به ۱۷۲۷ درجه‌ی سانتی‌گراد برسد و فشار در این نواحی ۲۰۰ هزار برابر فشار جو زمین است. درنتیجه، طبیعی است که بپرسیم: چه اتفاقی برای آب و آمونیاک و متان در این فشار و دماها رخ می‌دهد؟

اعمال فشار شدید بر متان باعث تجزیه‌ی مولکول‌های آن و آزادسازی کربن می‌شود. سپس، کربن زنجیره‌های طولانی‌تری را تشکیل می‌دهد. این زنجیره‌های طولانی برای تشکیل الگوهای کریستالی الماس‌مانند با یکدیگر ترکیب می‌شوند. سپس، الماس‌های متراکم در لایه‌های گوشته سقوط می‌کنند تا جایی که گوشته بسیار داغ شود. در این نقطه، باران‌های الماس تبخیر می‌شوند و بالا می‌روند و این چرخه تکرار می‌شود. بدین‌ترتیب، باران الماسی به‌وجود می‌آید.

الماس‌های آزمایشگاهی

بهترین روش برای اثبات ادعای باران الماس، فرستادن فضاپیمایی به اورانوس یا نپتون است. البته این گزینه به‌زودی میسر نخواهد شد؛ درنتیجه، باید راه دوم را امتحان کرد: شبیه‌سازی آزمایشگاهی. در زمین، می‌توان با پرتاب لیزرهای قدرتمند به اهداف در بازه‌های کوتاه زمانی، دماها و فشارهای داخل غول‌های یخی را شبیه‌سازی کرد. در یکی از آزمایش‌ها با پلی اسیترین، الماس‌هایی در اندازه‌ی نانو تولید شد. نه اورانوس نه نپتون شامل مقادیر زیادی پلی استیرن نیستند؛ اما کنترل این پلاستیک در آزمایشگاه آسان‌تر از متان است و رفتار مشابهی دارند.

همچنین، اورانوس و نپتون می‌توانند فشارها را به‌مدت طولانی‌تر از پرتاب لیزری حفظ کنند؛ درنتیجه الماس‌های اورانوس و نپتون احتمالاً بزرگ‌تر از الماس‌های آزمایشگاهی خواهند بود. حال، نتیجه‌ی نهایی چیست؟ براساس آنچه از ترکیب این غول‌های یخی، ساختار داخلی آن‌ها، آزمایش‌ها و مدل‌سازی ریاضی می‌دانیم، باران الماس پدیده‌ای بسیار واقعی است.