في أعماق كوكب الأرض ، يوجد اللب الخارجي السائل و أ صلب داخلي التي تناوب مع بعضها البعض. هذا يخلق تأثير الدينامو المسؤول عن توليد المجال المغناطيسي الكوكبي للأرض. يُعرف أيضًا باسم a الغلاف المغناطيسي ، هذا المجال يحافظ على استقرار مناخنا عن طريق منع الغلاف الجوي للأرض من الضياع في الفضاء. لذلك عند دراسة الكواكب الخارجية الصخرية ، يتساءل العلماء بطبيعة الحال عما إذا كان لديهم أيضًا غلاف مغناطيسي.
لسوء الحظ ، إلى أن نتمكن من قياس الحقول المغناطيسية لكوكب خارج المجموعة الشمسية ، فإننا مضطرون إلى الاستدلال على وجودها من الأدلة المتاحة. هذا هو بالضبط ما الباحثين في مختبرات سانديا الوطنية فعل به منشأة الطاقة النبضية Z (PPF). جنبا إلى جنب مع شركائهم في معهد كارنيجي للعلوم ، كانوا قادرين على تكرار ضغوط الجاذبية 'للأرض الفائقة' لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم توليد مجالات مغناطيسية.
قاد فريق البحث ينجوي فاي ، عالم في الكيمياء الجيولوجية في جامعة كارنيجي معمل الأرض والكواكب (EPL) و كريستوفر تي سيجل ، زميل ما بعد الدكتوراه ومدير في مختبرات سانديا الوطنية (SNL). وانضم إليه العديد من الباحثين من EPL و SNL. تم عرض النتائج التي توصلوا إليها في دراسة نُشرت مؤخرًا في اتصالات الطبيعة .
تصوير فنان للقمر في الغلاف المغناطيسي للأرض ، مع 'رياح الأرض' المكونة من أيونات الأكسجين المتدفقة (باللون الرمادي) وأيونات الهيدروجين (الأزرق الساطع). الائتمان: E. Masongsong / UCLA / EPSS / NASA / GSFC SVS
عندما يتعلق الأمر بقياس قابلية السكن على كوكب الأرض ، يضطر العلماء إلى اتباع ما يُعرف باسم نهج 'الفاكهة المتدلية'. هذا يعني البحث عن كواكب شبيهة بالأرض ، وهو ما يعني أساسًا الكواكب الصخرية ذات الغلاف الجوي الكثيف المكون من النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون والميثان وغازات أخرى. هناك اعتبار رئيسي آخر وهو ما إذا كان كوكب ما يدور داخل المنطقة الصالحة للسكن للنجم الأم (HZ) أم لا.
ستواجه الكواكب التي تدور حول هذا النطاق درجات حرارة دافئة بدرجة كافية للحفاظ على الماء السائل على أسطحها. ومع ذلك ، كما لاحظ العلماء في السنوات الأخيرة ، فإن النشاط الجيولوجي هو أيضًا عامل رئيسي في الحفاظ على قابلية الأرض للسكن. كما أوضح ريتشارد كارلسون ، مدير مختبر الأرض والكواكب ، في أحد أبحاث كارنيجي للعلوم خبر صحفى :
'على الرغم من أن ملاحظات تكوين الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية ستكون الطريقة الأولى للبحث عن بصمات الحياة خارج الأرض ، فإن العديد من جوانب قابلية العيش على سطح الكوكب تتأثر بما يحدث تحت سطح الكوكب ، وهذا هو المكان الذي تتمتع فيه خبرة باحث كارنيجي الطويلة في خصائص تأتي المواد الصخرية تحت درجات حرارة وضغوط شديدة. '
في السنوات الأخيرة ، أسفرت استطلاعات الكواكب الخارجية عن اكتشاف ما لا يقل عن 4341 كوكبًا خارجيًا في 3216 نظامًا (مع 5742 مرشحًا آخر في انتظار التأكيد). من بين تلك المؤكدة ، تم تحديد 1340 كواكب صخرية تزيد كتلتها عن كتلة الأرض بعدة مرات ويصل حجمها إلى 8 أضعاف - ومن هنا جاءت تسمية 'الأرض الفائقة'.
آلة Z الخاصة بمختبرات سانديا الوطنية. ائتمانات: SNL / راندي مونتويا
وأضاف فاي 'القدرة على إجراء هذه القياسات أمر بالغ الأهمية لتطوير نماذج موثوقة للبنية الداخلية للأرض الفائقة تصل إلى ثمانية أضعاف كتلة كوكبنا'. 'ستحدث هذه النتائج تأثيرًا عميقًا على قدرتنا على تفسير بيانات المراقبة.'
قال جوشوا تاونسند ، الفيزيائي في سانديا والمؤلف المشارك في الورقة البحثية في SNL مؤخرًا خبر صحفى . بمعنى آخر ، هل هذه الكواكب الصخرية الغريبة والهائلة قادرة على دعم الحياة كما نعرفها؟
يقع Z PPF في قلب مختبرات سانديا الوطنية في البوكيرك ، نيو مكسيكو ، ويعتمد على أدوات خاصة - مثل الجهاز متعدد السندان ، واسطوانة المكبس ، وخلية سندان الماس - لمحاكاة ظروف الضغط العالي ودرجة الحرارة في باطن الكوكب. وبذلك ، فهم قادرون على قياس الخصائص الفيزيائية للكواكب الخارجية وتقليد بيئات الجاذبية الخاصة بهم.
من أجل دراستهم ، قام فريق كارنيجي / SNL بتكرار ضغوط الجاذبية لـ 'الأرض الفائقة' من خلال تطبيق ما يعادل ضغوط الجاذبية الضخمة على بريدجمانيت (المعروف أيضًا باسم سيليكات المغنيسيوم) بطريقة شبه فورية. هذا المعدن هو أكثر المواد وفرة في باطن الكواكب الصخرية وقد استخدم لمحاكاة مادة الوشاح للأرض الفائقة.
انطباع الفنان عن البنية الداخلية للأرض. الائتمان: مختبرات أرجون الوطنية
من خلال تعريض الجرمانيت لموجات صدمات فائقة السرعة تولدها آلة Z ، تمكن الفريق من إعادة إنشاء ضغوط ممثلة لجزء داخلي من الأرض الفائقة. في ظل هذه الظروف ، وجد الفريق أن للبريدجمانيت نقطة انصهار عالية جدًا ، وهو اكتشاف قد يكون له آثار خطيرة على الديناميكيات الداخلية للأرض الفائقة.
كما أشاروا في دراستهم ، في ظل سيناريوهات تطورية حرارية معينة ، قد تطور الكواكب الصخرية الضخمة جيودينامو مدفوع حرارياً في وقت مبكر من تطورها. ومع ذلك ، قد يختفي تأثير الدينامو هذا عندما يتباطأ تبريد الجزء الداخلي للكوكب ، ليتم إعادة تشغيله فقط بسبب حركة العناصر الأخف وتبلور اللب الداخلي.
سمحت التجارب أيضًا بإنشاء جدول بيانات يوضح كيفية اختلاف حالة باطن الكوكب (صلبة أو سائلة أو غازية) بناءً على ظروف الضغط ودرجة الحرارة والكثافة (وإلى متى). مثل فاي شرح عبر إصدار SNL:
'من أجل بناء نماذج تسمح لنا بفهم الديناميكيات الداخلية وهيكل الأرض الفائقة ، نحتاج إلى أن نكون قادرين على أخذ البيانات من العينات التي تقارب الظروف التي يمكن العثور عليها هناك ، والتي يمكن أن تتجاوز 14 مليون ضعف الضغط الجوي. ومع ذلك ، واصلنا مواجهة القيود عندما يتعلق الأمر بخلق هذه الظروف في المختبر '.
انطباع الفنان عن كوكب سوبر إيرث يدور حول نجم شبيه بالشمس. الائتمان: ESO / M. كورنميسر
'لقد وفرت Z تعاوننا أداة فريدة لا يمكن لأي تقنية أخرى أن تضاهيها ، بالنسبة لنا لاستكشاف الظروف القاسية للتصميمات الداخلية للأرض الفائقة ،' مضاف ، عبر إصدار كارنيجي ساينس. 'كانت البيانات عالية الجودة غير المسبوقة للماكينة حاسمة لتعزيز معرفتنا بالأرض الفائقة.'
بناءً على تحليلهم لحالة الأجزاء الداخلية للأرض الفائقة ، أنتج الفريق أيضًا قائمة بسبعة كواكب ربما تستحق مزيدًا من الدراسة. وتشمل هذه 55 Cancri e و Kepler-10 b و Kepler-36 b و Kepler-80 e و Kepler-93 b و CoRoT-7 b و HD-219134 ب. مثل Seagle ، الذي اقترح في البداية هذه التجارب مع Fei ، قالت :
'تم اختيار هذه الكواكب ، التي وجدنا أنها تدعم الحياة على الأرجح ، لمزيد من الدراسة لأن لها نسبًا مماثلة للأرض في الحديد والسيليكات والغازات المتطايرة ، بالإضافة إلى درجات الحرارة الداخلية التي تساعد على الحفاظ على الحقول المغناطيسية للحماية من الرياح الشمسية. '
أصبحت الكواكب الأرضية الفائقة نقطة محورية للاهتمام لأن حجمها وكتلتها الأكبر يعني أنها تمارس ضغوط جاذبية كبيرة. نتيجة لذلك ، من المرجح أن تحتفظ هذه الكواكب بغلافها الجوي لفترات أطول من الوقت ، مما يضمن أن الحياة لديها فرصة أفضل للظهور والتطور إلى حالة أكبر من التعقيد.
تصميم فني للأرض الفائقة GJ 625 b ونجمها GJ625 (Gliese 625). الائتمان: غابرييل بيريز / SMM (IAC)
تعني كتلتها الكبيرة أيضًا أن ظروف الضغط ودرجة الحرارة في المناطق الداخلية من المرجح أن تؤدي إلى جيودينامو. كما أوضح تاونسند ، يوضح التباين بين الأرض والمريخ كيفية عمل ذلك. قال: 'لأن المريخ كان أصغر ، كان لديه مجال جاذبية أضعف في البداية'. 'ثم بعد أن برد قلبه بسرعة ، فقد مجاله المغناطيسي وجرد غلافه الجوي بعد ذلك.'
ليس سراً أن مجال أبحاث الكواكب الخارجية قد نما بسرعة فائقة في العقود القليلة الماضية. في السنوات القادمة ، ستنتقل أجهزة الجيل التالي إلى الفضاء أو ستصبح جاهزة للعمل هنا على الأرض. تحسبًا لذلك ، يعمل العلماء بجد لتطوير النماذج والأساليب والأطر التي ستسمح بتوصيف أكثر سرعة.
لن يخبر هؤلاء علماء الفلك فقط بالمكان الذي يحتاجون إليه للبحث ، بل سيساعدون أيضًا علماء الفلك في التعرف على الإشارات التي يمكن أن تشير إلى وجود الحياة (ويعرف أيضًا باسم التوقيعات الحيوية). كان البحث عن الحياة خارج الأرض صعبًا ومستمرًا حتى الآن ، وربما سيكون كذلك دائمًا. لكنها ستصبح أيضًا أكثر إثارة ، وقريبًا!
قراءة متعمقة: SNL و كارنيجي للعلوم و اتصالات الطبيعة
