علت باران‌های الماس نپتون چیست؟

در اعماق قلب نپتون و اورانوس، الماس می‌بارد. حالا دانشمندان با آزمایش‌‌های خود به شواهدی رسیده‌اند که علت این پدیده را توضیح می‌دهند. طبق فرضیه‌ها، گرما و فشار متراکم در عمق هزاران کیلومتری سطح غول‌های یخی نپتون و اورانوس، منجر به جداسازی ترکیب‌های هیدروکربنی می‌شود. در چنین شرایطی کربن به‌صورت الماس فشرده می‌شود و در اعماق هسته‌ی سیاره فرود می‌آیند.

در آزمایش جدید برای اندازه‌گیری دقیق فرایند باران الماس از لیزر پرتوی ایکس LCLS (منبع نور منسجم لیناک) در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده‌ی SLAC استفاده شد. طبق نتایج، در این فرایند کربن به‌صورت مستقیم تبدیل به الماس کریستالی می‌شود. به گفته‌ی مایک دان، فیزیکدان پلاسما و رئیس LCLS:

این پژوهش درباره‌ی حل‌پذیری و ترکیب دو عنصر است، پدیده‌ای که مدل‌سازی محاسباتی آن بسیار دشوار است. جداسازی عناصر را می‌توان به تجزیه‌ی مایونز به روغن و سرکه هم تشبیه کرد.

نسبت به سیاره‌های دیگر منظومه‌ی شمسی، از نپتون و اورانوس اطلاعات کمتری در دست است؛ زیرا تنها کاوشگر فضایی وویجر ۲ به این دو سیاره نزدیک شده است و تنها یک بار از روی آن‌ها عبور کرده است و مدت مأموریت هم طولانی نبوده است.

اما مشابه غول‌های یخی نپتون و اورانوس، در راه شیری بسیار متداول هستند. سیاره‌های فراخورشیدی شبه نپتون ۱۰ برابر رایج‌تر از سیاره‌های شبه مشتری هستند. درنتیجه درک غول‌های یخی منظومه‌ی شمسی برای درک دیگر سیاره‌های کهکشان ضروری است؛ و با درک بهتر این سیاره‌ها، می‌توان از اتفاق‌های زیر جو آبی آن‌ها با خبر شد.

از طرفی جو نپتون و اورانوس از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است و درصد کمی گاز متان در آن وجود دارد. زیر این لایه‌های جوی، مایعی داغ و متراکم از مواد یخی مثل آب، متان و آمونیاک دورتادور هسته را گرفته‌اند.

فیزیکدانی به‌نام دومینیک کراوس در آزمایش‌ قبلی خود در SLAC، از انکسار پرتوی ایکس برای نمایش باران نپتونی استفاده کرد. حالا کراوس و تیم او پژوهش‌های خود را به یک پله بالاتر برده‌اند. او درباره‌ی جدیدترین تلاش‌های خود می‌گوید:

روش جدید براساس پراکنده‌سازی پرتوی ایکس است. آزمایش‌های ما پارامترهای مهمی از مدل را ارائه می‌کنند که در گذشته مبهم بودند. با کشف سیاره‌های فراخورشیدی بیشتر، ارتباط بیشتری با آزمایش‌ها پیدا خواهیم کرد.

مدل‌سازی محیط داخلی غول‌های گازی روی زمین کار دشواری است. برای این کار نیاز به تجهیزات ویژه‌ای مثل LCLS و مواد مشابه عناصر سیاره‌های غول‌آسا است. پژوهشگرها برای رسیدن به این هدف به‌جای متان از هیدروکربن پلی استیرن استفاده کردند.

اولین گام، افزایش حرات و فشار ماده برای شبیه‌سازی شرایط عمق ۱۰۰۰ کیلومتر نپتون است. در این مرحله پالس‌های لیزری، موج‌های ضربه‌ای را در پلی‌استیرن تولید می‌کنند و دمای ماده تا ۴۷۲۷ درجه‌ی سانتی‌گراد بالا می‌رود. با افزایش دما فشار هم افزایش می‌یابد. به گفته‌ی کراوس، «ما فشار تقریبی ۱.۵ میلیون باری را تولید کردیم که هم ارز با فشار وزن ۲۵۰ فیل آفریقایی روی یک انگشت دست است.»

در آزمایش قبلی از انکسار پرتوی ایکس برای بررسی ماده استفاده شد. این روش برای موادی با ساختارهای کریستالی نتایج خوبی دارد اما برای مولکول‌های غیرکریستالی مبهم است بنابراین نتیجه‌ی ناقصی در آزمایش قبلی به دست آمد. پژوهشگرها در آزمایش جدید از روش متفاوتی استفاده کردند. آن‌ها در این روش به اندازه‌گیری نحوه‌ی پراکندگی پرتوهای ایکس از الکترون‌های پلی‌استیرن پرداختند. به این ترتیب نه‌تنها موفق به بررسی تبدیل کربن به الماس شدند بلکه دیگر اتفاقات مثل تقسیم هیدروژنی را هم مشاهده کردند. در این آزمایش هیچ کربن زائدی باقی نماند. به گفته‌ی کراوس:

در رابطه با غول‌های گازی می‌دانیم کربن پس از جداسازی مستقیما به الماس تبدیل می‌شود و وارد فاز مایع نمی‌شود.

نکته‌ی عجیب درباره‌ی نپتون این است که دمای داخل آن فراتر از حد قابل انتظار است. درواقع گرمای داخل نپتون ۲/۶ برابر بیشتر از گرمای دریافتی آن از خورشید است. اگر الماس‌ها که متراکم‌تر از مواد اطرافشان هستند، داخل نپتون ببارند، می‌توانند انرژی گرانشی آزاد کنند که این انرژی به گرما تبدیل می‌شود که بر اثر اصطکاک بین الماس‌ها و مواد اطراف آن‌ها به وجود می‌آید. طبق آزمایش فوق، نیازی به تعریف جایگزین نیست و از این روش می‌توان برای بررسی فضای داخلی سیاره‌های دیگر منظومه‌ی شمسی هم استفاده کرد. به گفته‌ی کراوس:

با این روش می‌توانیم به اندازه‌گیری فرآیندهای جذابی بپردازیم که بازسازی آن‌ها کار دشواری است… برای مثال می‌توانیم به مقدر عناصری مثل هیدروژن و هلیوم در غول‌های گازیم شتری و زحل پی ببریم، این عناصر را در شرایط شدید جدا کرده ترکیب کنیم و به روشی جدید برای بررسی تاریخچه‌ی تکاملی سیاره‌ها و منظومه‌های سیاره‌ای برسیم. این آزمایش می‌تواند مقدمه‌ای برای آزمایش‌هایی باشد که در آینده به بررسی اشکال مختلف انرژی حاصل همجوشی می‌پردازند.