شبیه‌سازی‌های گانیمد هسته‌ای که سرعتی بسیار آهسته دارد

به گزارش مجله خبری نگار،تمام قمر‌های دیگر منظومه شمسی از نظر مغناطیسی مرده هستند؛ توده‌هایی بی‌جان از سنگ که در درون آنها فعالیتی وجود ندارد.

میدان‌های مغناطیسی به یک دینامو نیاز دارند؛ ماده‌ای رسانا که در اعماق داخلی جرم آسمانی در حال حرکت و چرخش باشد، جریان‌های الکتریکی ایجاد کند، سپس میدان مغناطیسی را حفظ نماید.

سیارات به‌طور معمول این کار را انجام می‌دهند. اما گانیمد تنها قمری است که به نظر می‌رسد چنین قابلیتی دارد.

اکنون یک پژوهش جدید پاسخی برای این معما ارائه کرده است. اگر این فرضیه درست باشد، گانیمد فقط یک جرم آسمانی غیرمعمول نیست، بلکه به شکلی منحصر‌به‌فرد است که تاکنون کسی آن را پیش‌بینی نکرده بود.

پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند میدان مغناطیسی این قمر ممکن است توسط هسته‌ای تغذیه شود که هنوز در حال شکل‌گیری است.

توضیح رایج درباره میدان مغناطیسی گانیمد

نحوه تولید میدان مغناطیسی زمین تا حد زیادی شناخته شده است. هسته بیرونی زمین که لایه‌ای از آهن و نیکل مایع در اطراف هسته جامد داخلی است، به‌طور مداوم در حال حرکت است. این حرکت به‌وسیله گرما، تفاوت‌های ترکیبی مواد هدایت می‌شود.

این جابه‌جایی‌ها جریان‌های الکتریکی تولید می‌کنند که میدان مغناطیسی را حفظ می‌کنند. این فرایند میلیارد‌ها سال ادامه داشته است و تا زمانی که هسته به اندازه کافی مایع باقی بماند، ادامه خواهد یافت.

برای گانیمد، پژوهشگران پیش‌تر مدلی به نام «برف آهن» را مطرح کرده بودند. بر اساس این ایده، آهن مایع در نزدیکی بخش بالایی هسته آن‌قدر سرد می‌شود که بلور تشکیل دهد. این بلور‌ها در مایع گرم‌تر زیرین فرو می‌روند، سپس در عمق بیشتر دوباره ذوب می‌شوند.

این چرخه حرکتی، همرفت مورد نیاز دیناموی مغناطیسی را فراهم می‌کند. این توضیح منطقی به نظر می‌رسید و برای مدتی نیز مهم‌ترین فرضیه محسوب می‌شد.

اما این مدل بر این فرض استوار است که گانیمد در زمان شکل‌گیری منظومه شمسی به اندازه کافی داغ و به اندازه کافی زود تشکیل شده باشد تا فلزات از سایر مواد جدا شوند و هسته‌ای کامل بسازند.

برخی پژوهشگران این فرض را زیر سؤال برده‌اند. آنها معتقدند قمر‌های یخی ممکن است در شرایطی بسیار سرد شکل گرفته باشند؛ شرایطی که امکان تفکیک سریع مواد را فراهم نمی‌کرده است. این فرایند که «تفکیک درونی» نام دارد، فلزات سنگین را از مواد سبک‌تر جدا می‌کند و به تشکیل هسته منجر می‌شود.

اگر این دیدگاه درست باشد، هسته گانیمد ممکن است بسیار کمتر از آنچه دانشمندان تصور می‌کردند توسعه یافته باشد.

هسته‌ای که با سرعتی بسیار آهسته ساخته می‌شود

کوین ترین، دانشمند علوم سیاره‌ای در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech)، همراه با همکارانش تصمیم گرفت این سناریوی آغاز سرد را جدی بگیرد و بررسی کند در چنین شرایطی چه اتفاقی رخ می‌دهد.

در شبیه‌سازی‌های آنها، گانیمد در ابتدا سرد است و طی میلیارد‌ها سال به‌تدریج گرم می‌شود. این گرمایش از دو منبع تأمین می‌شود: واپاشی رادیواکتیو عناصر سنگین موجود در سنگ‌ها، نیرو‌های کشندی ناشی از کشش گرانشی عظیم مشتری.

با گذشت زمان، این گرما دو پیامد مهم دارد. نخست، آب را از درون سنگ‌ها آزاد می‌کند و اقیانوس عظیم زیرسطحی شناخته‌شده گانیمد را تغذیه می‌کند.

دوم، مواد غنی از آهن را ذوب می‌کند. این مواد به‌آرامی به سمت مرکز قمر حرکت می‌کنند و طی زمان‌های زمین‌شناسی، هسته را ذره‌به‌ذره می‌سازند.

هنگامی که این آهن‌ها به سمت مرکز سرازیر می‌شوند و تجمع پیدا می‌کنند، درون مایع اطراف خود را به حرکت درمی‌آورند. ورود مداوم فلزات تازه و متراکم، همرفت ایجاد می‌کند و همین همرفت برای حفظ یک دیناموی مغناطیسی کافی است.

در بسیاری از شبیه‌سازی‌ها، این فرایند هنوز هم در زمان حاضر ادامه دارد. هسته هنوز کامل نشده است و همین فرایند ساخت هسته، میدان مغناطیسی را تولید می‌کند.‌ترین می‌گوید: «من همیشه تصور می‌کردم تشکیل هسته فرایندی بسیار باستانی است.»، اما مدل جدید نشان می‌دهد که در شرایط مناسب، این فرایند می‌تواند میلیارد‌ها سال به تأخیر بیفتد.

شرایطی بسیار خاص برای ادامه شکل‌گیری هسته

دلیلی وجود دارد که این سناریو پیش‌تر مطرح نشده بود. این ایده تنها در محدوده نسبتاً باریکی از شرایط امکان‌پذیر است.

اگر گانیمد در ابتدا بیش از حد سرد بود، آهن هرگز ذوب نمی‌شد و فرایند جداسازی آغاز نمی‌گردید.

اگر هم بیش از حد داغ بود، هسته مدت‌ها پیش شکل‌گیری خود را کامل کرده بود. در آن صورت این سازوکار پیش از ظهور انسان‌ها پایان یافته بود.

بر اساس این تصویر، گانیمد دقیقاً در شرایطی شکل گرفته که این فرایند را برای میلیارد‌ها سال فعال نگه داشته است و هنوز هم آن را به پایان نرسانده است.

این هم‌زمانی بسیار چشمگیر است و به همین دلیل برخی پژوهشگران نسبت به آن محتاط هستند.

پرسش‌هایی که هنوز بی‌پاسخ مانده‌اند

دوریس بروئر، دانشمند علوم سیاره‌ای در مرکز هوافضای آلمان که در این پژوهش مشارکت نداشت، می‌گوید: «در اصل، این داستان جالب و منطقی به نظر می‌رسد.»

با این حال او معتقد است با توجه به تعداد زیاد عوامل دخیل، هنوز مشخص نیست که مدل تمام جزئیات را در نظر گرفته باشد.

تینا روکریمِن-بتس، دانشمند علوم سیاره‌ای دانشگاه مونستر که مقاله را بررسی کرده است، پیامد گسترده‌تر این ایده را به‌روشنی بیان می‌کند.

او می‌گوید اگر وجود هسته‌ای که هنوز در حال شکل‌گیری است تأیید شود، «شاید دانشمندان مجبور شوند درک خود از نحوه تولید میدان‌های مغناطیسی را بازنگری کنند.»

ماموریت JUICE پاسخ را آشکار خواهد کرد

خبر خوب این است که این موضوع برای مدت طولانی تنها یک فرضیه نخواهد ماند.

ماموریت JUICE یا «کاوشگر قمر‌های یخی مشتری» متعلق به آژانس فضایی اروپا در مسیر خود قرار دارد و قرار است در سال ۲۰۳۱ به گانیمد برسد.

ابزار‌های این مأموریت میدان گرانشی قمر را با دقتی بسیار بالا اندازه‌گیری خواهند کرد. این داده‌ها نشان می‌دهند جرم در اعماق داخلی گانیمد چگونه توزیع شده است.

این مأموریت مشخص خواهد کرد که آیا آهن در یک هسته فشرده و کاملاً شکل‌گرفته متمرکز شده است یا هنوز در بخش‌های گسترده‌تری از درون قمر پراکنده است.

اندازه‌گیری‌های مغناطیسی نیز اطلاعات بیشتری درباره اندازه، وضعیت هسته ارائه خواهند داد.

گانیمد؛ جهانی که هنوز در حال تکامل است

اگر اندازه‌گیری‌های آینده تأیید کنند که هسته گانیمد هنوز در حال شکل‌گیری است، این قمر به جرمی کاملاً بی‌همتا در منظومه شمسی شناخته‌شده تبدیل خواهد شد.

در این صورت، گانیمد تنها جهانی خواهد بود که فرایندی را تجربه می‌کند که دانشمندان تصور می‌کردند میلیارد‌ها سال پیش به پایان رسیده است، اما هنوز بی‌صدا در حال وقوع است.

پرواز گالیله در سال ۱۹۹۶، گانیمد را در میان قمر‌ها منحصر‌به‌فرد کرد. اکنون نزدیک به سه دهه تلاش برای درک معنای میدان مغناطیسی آن، به فرضیه‌ای منجر شده است که شاید این جهان را در میان تمام اجرام شناخته‌شده کیهان نیز منحصر‌به‌فرد کند.

نتایج این پژوهش در نشریه علمی Science Advances منتشر شده است.

جمع‌بندی

فرضیه جدید نشان می‌دهد میدان مغناطیسی گانیمد ممکن است از هسته‌ای ناشی شود که هنوز در حال شکل‌گیری است؛ موضوعی که می‌تواند درک دانشمندان از تکامل سیارات و قمر‌ها را تغییر دهد. 

منبع: فوت وفن