شكل غريب من الماء يمكن أن يساعد في تفسير المغناطيسية
مصر:إيهاب محمد زايد
من أكثر الأشياء الغريبة في أورانوس ونبتون هي مجالاتهما المغناطيسية. يحتوي كل كوكب من هذه الكواكب على فوضى عارمة من الغلاف المغناطيسي، وهو غير منتظم ومائل بشدة عن محور الدوران بطريقة لا يمكن رؤيتها في أي كوكب آخر.
ليس من الواضح تمامًا السبب، ولكن بفضل فريق من الباحثين من الصين وروسيا قد يكون لدينا قطعة جديدة من اللغز: شكل غريب حقًا من الماء المتأين يطلق عليه اسم “أكواديوم” والذي يمكن أن يتواجد عميقًا في الأجزاء الداخلية شديدة الضغط لهذه المناطق. عوالم غريبة وجليدية.
يتكون أكواديوم من جزيء ماء عادي مع بروتونين إضافيين، مما يمنحه شحنة موجبة صافية يمكنها – بكميات كافية – إنتاج مجال مغناطيسي كوكبي مثل مجال أورانوس ونبتون.
وتمتد المجالات المغناطيسية الكوكبية بعيدًا في الفضاء المحيط بالكواكب وتنتجها. ومع ذلك، يتم إنشاؤها في أعماق الكوكب عن طريق تحريك الشحنات، على الرغم من أن الآلية الدقيقة يمكن أن تختلف.
على الأرض، هي عبارة عن سبيكة من الحديد والنيكل تدور حول النواة، وتدور، وتحمل، وتوصل الكهرباء، وتحول كل تلك الطاقة الحركية إلى تيارات من الإلكترونات في ما يسمى بالدينامو. بالنسبة للمشتري وزحل، يعتقد العلماء أن الهيدروجين المعدني هو الذي يوفر قناة لتدفق الإلكترونات.
تتمتع الأرض والمشتري وزحل بمجالات مغناطيسية مرتبة نسبيًا تشبه تلك الموجودة في قضيب مغناطيسي ضخم يمتد أسفل محور دوران الكوكب، وخطوط مجاله تشبه القفص الذي يربط بين القطب الشمالي والجنوبي بدقة.
وعلى النقيض من ذلك، يميل القطبان المغناطيسيان لأورانوس ونبتون بمقدار 59 و47 درجة، على التوالي، عن محوري الدوران، وتتحول خطوط المجال المغناطيسي وتتحول باستمرار. وهي لا تتمركز في الواقع حول قلوب الكواكب.
أحد التفسيرات المحتملة هو أن المجالات المغناطيسية يمكن أن تتولد عن طريق سائل موصل أيوني، حيث تكون الأيونات هي حاملات الشحنة بدلاً من أن يعمل السائل كقناة للإلكترونات.
“الهيدروجين المحيط بالنواة الصخرية لكوكب المشتري في تلك الظروف [الضغط العالي] هو معدن سائل: يمكن أن يتدفق بالطريقة التي يتدفق بها الحديد المنصهر في باطن الأرض، وترجع موصليته الكهربائية إلى الإلكترونات الحرة المشتركة بين جميع ذرات الهيدروجين. مضغوطة معًا”، يشرح الكيميائي النظري وعالم المعادن والفيزيائي أرتيم أوغانوف من معهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا في روسيا.
“في أورانوس، نعتقد أن أيونات الهيدروجين نفسها – أي البروتونات – هي حاملات الشحنة الحرة.”
السؤال إذن هو أي الأيونات؟ بعضها، مثل الأمونيوم، احتمالات واضحة. ولكن هل يمكن لجزيئات الماء الموجودة على الكواكب أن تلعب دورًا أكثر أهمية في هذه العملية أيضًا؟
بقيادة الفيزيائي جينجيو هو من جامعة نانكاي في الصين، عاد فريق من الباحثين إلى المبادئ الأولى مقترنة بنماذج حول الطريقة التي يمكن أن تتطور بها الجزيئات، وتعمقوا في مفهوم يسمى التهجين الكيميائي.
يحدث هذا عندما يتم خلط العناصر المدارية للذرة أو دمجها لتكوين ذرة يمكنها الارتباط بطرق جديدة. هناك أنواع مختلفة من التهجين، ولكن النوع المناسب هنا هو تهجين sp3، حيث تشكل أربعة مدارات ترتيبًا رباعي السطوح حول النواة المركزية.
تحتوي كل نقطة من النقاط الأربع لرباعي الأسطح إما على إلكترون وحيد قادر على الارتباط مع ذرة أخرى، أو زوج من الإلكترونات لا يمكنه تكوين روابط مع ذرات أخرى.
يحتوي الأكسجين على إلكترونين منفردين وزوجين من الإلكترونات في غلافه الخارجي. إذا قمت بربط ذرة الهيدروجين بكل إلكترون من إلكترونات التكافؤ المتاحة، فستحصل على الماء H2O.
في بعض الأحيان، يرتبط الهيدروجين بدون إلكترونه – المعروف أيضًا باسم البروتون القديم البسيط – بأحد أزواج الإلكترونات لتكوين جزيء يسمى أيون الهيدرونيوم.
رسم تخطيطي يشرح تكوين aquodiium. (سكولتيتش)
يقول الفيزيائي: “كان السؤال هو: هل يمكنك إضافة بروتون آخر إلى أيون الهيدرونيوم لملء القطعة المفقودة؟ مثل هذا التكوين في الظروف العادية غير مواتٍ للغاية من حيث الطاقة، لكن حساباتنا تظهر أن هناك شيئان يمكن أن يحدثا ذلك”. شياو دونغ من جامعة نانكاى.
“أولاً، الضغط العالي جدًا يجبر المادة على تقليل حجمها، ومشاركة زوج إلكترون غير مستخدم سابقًا من الأكسجين مع أيون الهيدروجين (البروتون) هي طريقة رائعة للقيام بذلك: مثل الرابطة التساهمية مع الهيدروجين، باستثناء كلا الإلكترونين في الزوج ثانيًا، أنت بحاجة إلى الكثير من البروتونات المتاحة، وهذا يعني وجود بيئة حمضية، لأن هذا ما تفعله الأحماض – فهي تتبرع بالبروتونات.
أجرى الباحثون نماذج حسابية، وفي ظل ظروف مشابهة لتلك التي يُعتقد أنها موجودة داخل أورانوس ونبتون، هذا ما حدث. عند درجات حرارة تبلغ حوالي 3000 درجة مئوية (5430 فهرنهايت)، وضغط يصل إلى 1.5 مليون ضغط جوي، ترتبط البروتونات بالهيدرونيوم لتكوين H4O2 – الماء.
لا يزال الأمر نظريًا بالطبع. وستكون هناك حاجة إلى عمليات رصد أكثر تفصيلاً للكوكبين الخارجيين للتحقيق فيها الاحتمال أبعد من ذلك؛ لكن النتائج تعطينا طريقة جديدة لفهم الكرات الزرقاء الغريبة مثل أورانوس ونبتون.
ولها آثار على الكيمياء بشكل عام أيضًا، وتمثل، كما كتب الباحثون، “إضافة مهمة للنظريات الفيزيائية والكيميائية التقليدية مثل نموذج تنافر زوج الإلكترونات في غلاف التكافؤ، ونقل البروتون، ونظرية القاعدة الحمضية”.
وقد تم نشر البحث في مجلة Physical Review C.
