هنگامی که فضاپیمای رباتیک Voyager 2 ناسا در دهه ۱۹۸۰ از کنار اورانوس و نپتون عبور کرد، به پدیده‌ای غیرعادی پی برد؛ میدان‌های مغناطیسی این دو سیاره برخلاف میدان مغناطیسی زمین، ساختار منظمی ندارند و به قطب‌های شمال و جنوب مشخصی محدود نمی‌شوند. پژوهش جدید نشان می‌دهد تغییرات رسانایی الکتریکی در اعماق اورانوس و نپتون
هنگامی که فضاپیمای رباتیک Voyager 2 ناسا در دهه ۱۹۸۰ از کنار اورانوس و نپتون عبور کرد، به پدیده‌ای غیرعادی پی برد؛ میدان‌های مغناطیسی این دو سیاره برخلاف میدان مغناطیسی زمین، ساختار منظمی ندارند و به قطب‌های شمال و جنوب مشخصی محدود نمی‌شوند.
پژوهش جدید نشان می‌دهد تغییرات رسانایی الکتریکی در اعماق اورانوس و نپتون می‌تواند یکی از عوامل اصلی شکل‌گیری میدان‌های مغناطیسی غیرمعمول این دو سیاره و تغییرات احتمالی آن‌ها در گذر زمان باشد.
این یافته حاصل پژوهشی به سرپرستی محققان دانشگاه تگزاس در آستین است که با همکاری پژوهشگرانی از دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس، کالج سلطنتی لندن و دانشگاه نورثامبریا انجام شده و نتایج آن در نشریه Communications Physics به چاپ رسیده است.
تفاوت ساختار داخلی، تفاوت میدان مغناطیسی
میدان‌های مغناطیسی سیارات در اثر حرکت سیالات رسانای الکتریکی در اعماق آن‌ها ایجاد می‌شوند. این فرایند طبیعی که دینامو نام دارد، در زمین به‌واسطه حرکت مواد مذاب در هسته خارجی شکل می‌گیرد. هسته خارجی زمین از فلز مایع تشکیل شده و لایه‌ای عمدتاً جامد از سنگ آن را احاطه کرده است. جابه‌جایی آهن مذاب تحت تأثیر چرخش زمین، میدان مغناطیسی‌ای ایجاد می‌کند که شباهت زیادی به یک آهنربای میله‌ای با قطب‌های شمال و جنوب مشخص دارد. همین ویژگی باعث می‌شود قطب‌نمای مغناطیسی در راستای شمال و جنوب قرار بگیرد.
محور دوقطبی مغناطیسی زمین تقریباً با محور چرخش سیاره هم‌راستا است و تنها ۱۱ درجه اختلاف زاویه دارد. در مقابل، این زاویه در اورانوس به ۵۹ درجه و در نپتون به ۴۷ درجه می‌رسد.
اگرچه ترکیب دقیق مواد تشکیل‌دهنده اورانوس و نپتون هنوز مشخص نیست، اما این دو سیاره که تقریباً چهار برابر زمین قطر دارند، در دسته غول‌های یخی قرار می‌گیرند. دانشمندان تصور می‌کنند بخش عمده ساختار آن‌ها از هیدروژن، هلیوم، آب، آمونیاک، متان و مواد سنگی تشکیل شده باشد.
چی یان، نویسنده اصلی پژوهش و محقق دانشکده علوم زمین جکسون دانشگاه تگزاس، معتقد است اندازه بزرگ این سیارات در کنار ترکیبات ژئوشیمیایی آن‌ها می‌تواند شرایط مناسبی برای شکل‌گیری میدان‌های مغناطیسی متمایل فراهم کند.
یان در این‌باره توضیح داد:
در اعماق اورانوس و نپتون، فشار و دما به‌شدت افزایش پیدا می‌کند؛ این شرایط می‌تواند باعث تجزیه مولکول‌های آب به یون‌ها شود و در نتیجه، رسانایی الکتریکی مواد با افزایش عمق بیشتر شود.
شبیه‌سازی‌ها از تغییرات سریع میدان مغناطیسی خبر می‌دهند
پژوهشگران برای بازسازی میدان‌های مغناطیسی غیرعادی مشاهده‌شده توسط Voyager 2، از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای استفاده کردند. آن‌ها با فرض افزایش رسانایی الکتریکی در اعماق بیشتر و در نظر گرفتن ساختارهای داخلی متفاوت، تغییرات حرکت سیالات، دما و میدان‌های مغناطیسی را بررسی کردند تا نحوه عملکرد دیناموی این سیارات را بهتر بشناسند.
مدل‌های رایانه‌ای نشان می‌دهند میدان‌های مغناطیسی اورانوس و نپتون ممکن است طی چند دهه تغییرات چشمگیری داشته باشند و حتی امروزه با آنچه در زمان مأموریت Voyager 2 مشاهده شده بود، تفاوت پیدا کرده باشند.
یان در مقایسه این تغییرات با زمین گفت:
انحراف میدان مغناطیسی زمین طی ۵۰ سال تنها حدود یک درجه تغییر می‌کند؛ اما مدل‌های ما نشان می‌دهند غول‌های یخی می‌توانند رفتار کاملاً متفاوتی داشته باشند. در برخی دوره‌ها، زاویه انحراف میدان مغناطیسی آن‌ها طی چند دهه، ده‌ها درجه تغییر می‌کند؛ درحالی‌که در دوره‌های دیگر، تغییرات، بسیار جزئی است.
شفق‌های قطبی راز میدان‌های مغناطیسی امروزی را آشکار می‌کنند
در حال حاضر، پژوهشگران در حال بررسی تصاویر با وضوح بالای تلسکوپ فضایی جیمز وب هستند. این تلسکوپ با قابلیت مشاهده نور فروسرخ، تابش‌های شفق قطبی اورانوس و نپتون را ثبت می‌کند. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که ذرات باردار خورشیدی با گازهای موجود در جو سیارات برخورد می‌کنند و می‌توانند سرنخ‌هایی درباره تغییرات میدان مغناطیسی آن‌ها در اختیار دانشمندان قرار دهند.
تام استالارد، استاد دانشگاه نورثامبریا که سرپرستی کارزار رصد اورانوس و نپتون با تلسکوپ جیمز وب را بر عهده داشته، درباره اهمیت این مشاهدات گفت:
ما مشغول بررسی محتوای این مشاهدات هستیم، اما شکل و ساختار شفق‌های قطبی در کنار الگوهای غیرمعمول دیگر در یون‌سپهر، می‌توانند راهی برای درک تغییرات میدان‌های مغناطیسی این سیارات در اختیارمان بگذارند. این موضوع گامی مهم در مسیر شناخت بهتر آن‌ها محسوب می‌شود.
پژوهشگران قصد دارند اطلاعات تصاویر شفق‌های قطبی تلسکوپ جیمز وب را با داده‌های اندازه‌گیری میدان مغناطیسی Voyager 2 و نتایج شبیه‌سازی‌های دینامو ترکیب کنند تا وضعیت احتمالی میدان‌های مغناطیسی این دو سیاره را تخمین بزنند.
محققان تأکید می‌کنند برای شناخت دقیق‌تر ساختار داخلی اورانوس و نپتون، به مأموریت‌های فضایی جدیدی نیاز است که بار دیگر به سراغ این دو غول یخی بروند.