To mærkelige planeter:Neptun og Uranus forbliver mystiske efter nye fund

Uranus og Neptun har begge et fuldstændig skævt magnetfelt, måske på grund af planeternes særlige indre strukturer. Men nye eksperimenter fra ETH Zürich-forskere viser nu, at mysteriet forbliver uløst.

De to store gasplaneter Uranus og Neptun har mærkelige magnetfelter. Disse er hver især stærkt hældende i forhold til planetens rotationsakser og er væsentligt forskudt fra planetens fysiske centrum. Årsagen til dette har været et mangeårigt mysterium i planetariske videnskaber. Forskellige teorier antager, at en unik indre struktur af disse planeter kan være ansvarlig for dette bizarre fænomen. Ifølge disse teorier, det skæve magnetfelt er forårsaget af cirkulationer i et konvektivt lag, som består af en elektrisk ledende væske. Dette konvektive lag omgiver igen et stabilt lagdelt, ikke-konvektivt lag, hvori der ikke er nogen cirkulation af materialet på grund af dets høje viskositet og dermed intet bidrag til magnetfeltet.

Ekstraordinære stater

Computersimuleringer viser, at vand og ammoniak, hovedkomponenterne i Uranus og Neptun, gå ind i en usædvanlig tilstand ved meget høje tryk og temperaturer:en "superionisk tilstand, " som har egenskaberne som både et fast stof og en væske. I denne tilstand, hydrogenionerne bliver mobile inden for gitterstrukturen dannet af oxygen eller nitrogen.

Nylige eksperimentelle undersøgelser bekræfter, at superionisk vand kan eksistere i den dybde, hvor ifølge teorien, det stabilt lagdelte område er placeret. Det kan derfor være, at det lagdelte lag er dannet af superioniske komponenter. Imidlertid, det er uklart, om komponenterne faktisk er i stand til at undertrykke konvektion, da de fysiske egenskaber af den superioniske tilstand ikke kendes.

Højt tryk på det mindste rum

Tomoaki Kimura og Motohiko Murakami fra Institut for Jordvidenskab ved ETH Zürich er nu et skridt tættere på at finde svaret. De to forskere har udført højtryks- og højtemperaturforsøg med ammoniak i deres laboratorium. Formålet med forsøgene var at bestemme elasticiteten af ​​det superioniske materiale. Elasticitet er en af ​​de vigtigste fysiske egenskaber, der påvirker termisk konvektion i planetkappen. Det er bemærkelsesværdigt, at materialernes elasticitet i deres faste og flydende tilstand er helt anderledes.

Til deres undersøgelser, forskerne brugte et højtryksapparat kaldet en diamantamboltcelle. I dette apparat, ammoniakken anbringes i en lille beholder med en diameter på omkring 100 mikrometer, som derefter klemmes mellem to diamantspidser, der komprimerer prøven. Dette gør det muligt at udsætte materialer for ekstremt høje tryk, såsom dem, der findes inde i Uranus og Neptun.

Prøven opvarmes derefter til over 2, 000 grader Celsius med en infrarød laser. På samme tid, en grøn laserstråle belyser prøven. Ved at måle bølgespektret af det spredte grønne laserlys, forskerne kan bestemme materialets elasticitet og den kemiske binding i ammoniakken. Forskydningerne i bølgespektret ved forskellige tryk og temperaturer kan bruges til at bestemme elasticiteten af ​​ammoniak i forskellige dybder.

En ny fase opdaget

I deres mål, Kimura og Murakami har opdaget en ny superionisk ammoniakfase (γ-fase), der udviser en elasticitet svarende til den flydende fase. Denne nye fase kan være stabil i det dybe indre af Uranus og Neptun og forekommer derfor der. Imidlertid, den superioniske ammoniak opfører sig som en væske, og den ville derfor ikke være tyktflydende nok til at bidrage til dannelsen af ​​det ikke-konvektive lag.

Spørgsmålet om, hvilke egenskaber det superioniske vand har inde i Uranus og Neptun, er så meget desto mere presserende i lyset af de nye resultater. For selv nu, mysteriet om, hvorfor de to planeter har et så uregelmæssigt magnetfelt, er stadig uløst.