سیارات غول‌پیکر یخی، اورانوس و نپتون، همواره از اسرارآمیزترین اجرام منظومه شمسی بوده‌اند. از زمان عبور فضاپیمای وویجر ۲ ناسا در دهه‌های ۱۹۸۰، محققان با چالش درک میدان‌های مغناطیسی آشفته و نامنظم آن‌ها مواجه بودند. این پدیده‌های عجیب، با میدان‌های مغناطیسی پایدار سیارات سنگی مانند زمین تفاوت فاحشی دارند. اکنون، تیمی از دانشمندان بین‌المللی با استفاده از مدل‌سازی‌های پیشرفته، راهکاری برای توضیح این ناهنجاری یافته‌اند.
راز میدان مغناطیسی عجیب اورانوس و نپتون چیست؟
داده‌های فضاپیمای وویجر ۲ (Voyager 2) نشان داد که میدان‌های مغناطیسی اورانوس و نپتون به‌شدت نامتعارف هستند. میدان مغناطیسی اورانوس با زاویه ۵۹ درجه نسبت به محور چرخش سیاره کج شده و حتی در مرکز هسته آن قرار ندارد. نپتون نیز وضعیت مشابهی دارد و میدان مغناطیسی نامنظمش با زاویه ۴۷ درجه کج شده است. این در حالی است که میدان مغناطیسی پایدار زمین تنها ۱۱ درجه نسبت به محور چرخش آن انحراف دارد.
سال‌ها گمانه‌زنی‌ها درباره علت این پدیده وجود داشت؛ از جمله فرضیه برخورد یک سیاره عظیم با اورانوس که باعث کج شدن محور ۹۷ درجه‌ای آن و همچنین میدان مغناطیسی‌اش شده است. اما از آنجایی که نپتون نیز بدون تجربه چنین برخوردی، میدان مغناطیسی کجی دارد، این فرضیه رد شد و نشان داد که علت باید درونی باشد. اکنون، مطالعه‌ای جدید بر اساس شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و اندازه‌گیری‌های وویجر ۲، راه حلی برای این معما یافته است.
چگونگی شکل‌گیری میدان‌های مغناطیسی سیارات یخی
پاسخ این معما به نحوه تولید میدان مغناطیسی سیارات از طریق اثر دینامو برمی‌گردد. این پدیده ناشی از حرکت چرخشی و همرفتی یک مایع رسانای الکتریکی درون یک جسم در حال چرخش است که قادر به تولید و حفظ یک میدان مغناطیسی قدرتمند است. در هسته زمین، این مایع رسانای الکتریکی، آهن مذاب است که یک میدان مغناطیسی پایدار با قطب‌های شمال و جنوب واضح (دوقطبی) ایجاد می‌کند.
با این حال، شرایط درونی اورانوس و نپتون متفاوت است. این سیارات یخی حاوی مقادیر زیادی مواد فرار مانند آمونیاک، هیدروژن، هلیوم، متان و آب هستند که یک هسته احتمالی سنگی را احاطه کرده‌اند. همچنین، این سیارات به ترتیب ۱۴.۵ و ۱۷ برابر زمین جرم دارند. این جرم عظیم، شرایطی خردکننده در فضای داخلی سیارات یخی ایجاد می‌کند.
چی یان، رهبر تیم تحقیقاتی از دانشگاه تگزاس در آستین، توضیح می‌دهد: «در اعماق اورانوس و نپتون، فشارها و دماها بسیار بالا می‌روند. در این شرایط که می‌تواند باعث تجزیه مولکول‌های آب به یون‌ها شود، مواد ممکن است با افزایش عمق، به‌طور فزاینده‌ای رسانای الکتریکی شوند.» شبیه‌سازی‌های کامپیوتری با در نظر گرفتن این رسانایی الکتریکی فزاینده و ترکیب سیارات، توانستند میدان‌های مغناطیسی عجیب اورانوس و نپتون را بازتولید کنند و نشان دهند که ساختار میدان مغناطیسی چگونه همراه با تغییرات در حرکت سیال ناشی از همرفت و دمای داخل سیارات تکامل می‌یابد.
تحولات سریع و مشاهدات آینده
نتایج شبیه‌سازی‌ها حاکی از آن است که میدان مغناطیسی اورانوس و نپتون می‌تواند در عرض چند دهه تغییرات چشمگیری داشته باشد. یان می‌گوید: «انحراف مغناطیسی زمین تنها حدود یک درجه در طول ۵۰ سال تغییر می‌کند، اما مدل‌های ما نشان می‌دهد که سیارات یخی می‌توانند بسیار متفاوت عمل کنند. در برخی دوره‌ها، انحراف میدان مغناطیسی آن‌ها در عرض چند دهه تا ده‌ها درجه تغییر می‌کند.»
ناسا یک ماموریت جدید را برای بازگشت به اورانوس در اوایل دهه ۲۰۴۰ میلادی در اولویت قرار داده است. همچنین، ماموریت تیان‌ون ۴ (Tianwen-4) سازمان ملی فضایی چین که در سال ۲۰۲۹ به سمت مشتری پرتاب می‌شود، یک کاوشگر کوچک را از طریق جاذبه مشتری به اورانوس خواهد فرستاد. تا آن زمان، دانشمندان به‌دنبال روش‌های خلاقانه‌ای هستند تا تنها به اندازه‌گیری‌های ۴۰ ساله وویجر ۲ از میدان‌های مغناطیسی وابسته نباشند.
به عنوان مثال، تام استالارد از دانشگاه نورثامبریا در بریتانیا، یکی از نویسندگان این تحقیق، مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز وب را بر روی شفق‌های قطبی مادون قرمز کم‌نور در هر دو سیاره اورانوس و نپتون رهبری می‌کند. شفق‌های قطبی زمانی ایجاد می‌شوند که ذرات باردار باد خورشیدی با میدان مغناطیسی یک سیاره تعامل کرده و برخی از این ذرات را به جو بالای قطب‌های مغناطیسی هدایت می‌کنند. از این رو، مکان شفق‌های قطبی نشانگر خوبی از وضعیت میدان مغناطیسی یک سیاره است.
امید است با ترکیب مشاهدات JWST از شفق‌های قطبی با اندازه‌گیری‌های میدان مغناطیسی وویجر ۲ و نتایج شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، بتوان پیکربندی فعلی میدان‌های مغناطیسی اورانوس و نپتون را تخمین زد و با وضعیت دهه ۱۹۸۰ مقایسه کرد. این یافته‌ها در تاریخ ۳ نوامبر در مجله Communications Physics منتشر شد.