في أعماق قلب العوالم الغريبة ، تتكون البلورات تحت ضغوط تصل إلى 40 مليون مرة أكثر كثافة من الضغط الجوي على الأرض ، وأكثر كثافة بعشر مرات من الضغط في قلب كوكبنا. يمكن أن يساعدنا فهمها بشكل أفضل في البحث عن الحياة في مكان آخر في مجرتنا.
في الوقت الحالي ، لا يعرف العلماء شيئًا تقريبًا عن هذه البلورات الغامضة. إنهم لا يعرفون كيف ومتى يتشكلون أو كيف يبدوون أو كيف يتصرفون. لكن الإجابات على هذه الأسئلة يمكن أن يكون لها آثار هائلة على أسطح تلك العوالم - سواء كانت مغطاة إما في الصهارة المتدفقة أو الجليد ، أو يتم قصفها بالإشعاع من النجوم المضيفة لها. يمكن للإجابة بدورها أن تؤثر على إمكانية إيواء هذه الكواكب للحياة.
إن الأجزاء الداخلية لهذه الكواكب الخارجية غامضة بالنسبة لنا لأنه في نظامنا الشمسي ، تميل الكواكب إما إلى أن تكون صغيرة وصخرية ، مثل الأرض والمريخ ، أو كبيرة وغازية ، مثل زحل والمشتري. ولكن في السنوات الأخيرة ، وجد علماء الفلك أن ما يسمى "الأرض الفائقة" - الكواكب الصخرية العملاقة - و "نبتون الصغيرة" - كواكب غازية أصغر من الموجودة في نظامنا الشمسي - أكثر شيوعًا في بقية مجرتنا.
لأن هذه الكواكب لا يمكن رؤيتها إلا على أنها وميض خافت في الضوء القادم من النجوم المضيفة لها ، يبقى الكثير عنها غامضًا. هل هي فائقة الكثافة أم واسعة النطاق؟ مما تتكون أسطحها؟ هل لديهم مجالات مغناطيسية؟ اتضح أن الإجابات على هذه الأسئلة تعتمد بشكل كبير على سلوك الصخور والحديد في النوى المفرطة الضغط.
حدود العلم الحالي
وقالت ديانا فالنسيا ، عالمة الكواكب في جامعة تورنتو بكندا ، والتي دعت في اجتماع آذار / مارس الأمريكي ، إن فهمنا للكواكب الخارجية يعتمد في الغالب على زيادة أو تقليل ما نعرفه عن الكواكب في مجموعتنا الشمسية. الجمعية الفيزيائية (APS) لفيزيائيي المعادن لاستكشاف هذه المواد الغريبة خارج الكواكب.
وقالت إن مشكلة نهج التوسع هي أنك لا تستطيع أن تفهم حقًا كيف سيتصرف الحديد عند 10 أضعاف ضغط قلب الأرض بمجرد التكاثر. في تلك الضغوط الهائلة ، تتغير خصائص المواد الكيميائية بشكل أساسي.
قال لارس ستيكرودز الفيزيائي المعدني النظري في جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، الذي قام بعمل العمل النظري الأساسي لحساب خصائص هذه المواد المتطرفة. "ستكون هذه ترتيبات فريدة للذرات الموجودة فقط عند ضغط مرتفع للغاية."
قال لعلم الأحياء أن هذه الترتيبات المختلفة تحدث ، لأن الضغوط الهائلة تغير جذريًا كيفية ارتباط الذرات ببعضها البعض. على سطح الأرض وحتى في أعماق كوكبنا ، ترتبط الذرات باستخدام الإلكترونات الموجودة في أصدافها الخارجية فقط. ولكن عند ضغوط الأرض الفائقة ، تتدخل الإلكترونات الأقرب إلى النواة الذرية وتغير أشكال المواد وخصائصها تمامًا.
ويمكن لهذه الخصائص الكيميائية أن تؤثر على سلوك الكواكب بأكملها. على سبيل المثال ، يعرف العلماء أن الأرض الفائقة تحتجز الكثير من الحرارة. لكنهم لا يعرفون كم - والإجابة على هذا السؤال لها آثار كبيرة على براكين تلك الكواكب وتكتيكات الصفائح. عند الضغوط الداخلية للأرض ، تختلط العناصر الأخف مع النواة الحديدية ، مما يؤثر على المجال المغناطيسي للكوكب - ولكن هذا قد لا يحدث عند ضغوط أعلى. حتى الحجم المادي للأرض الفائقة يعتمد على التركيب البلوري للمركبات في نوىها.
وقال فالنسيا إنه بدون كواكب من هذا النوع للدراسة عن كثب في نظامنا الشمسي ، يتعين على العلماء اللجوء إلى الحسابات الفيزيائية الأساسية والتجارب للإجابة على هذه الأنواع من الأسئلة. لكن Stixrude قالت إن هذه الحسابات غالبًا ما تظهر إجابات مفتوحة. أما التجارب؟
وقال "هذه الضغوط ودرجات الحرارة تفوق قدرة معظم التقنيات والتجارب التي لدينا اليوم."
بناء الأرض الفائقة على الأرض العادية
على الأرض ، تشمل تجارب الضغط الأكثر تطرفًا سحق عينات صغيرة بين النقاط الحادة للماسين الصناعيين.
لكن Stixrude قالت إن هذه الألماس تميل إلى التحطيم قبل أن تصل إلى ضغوط الأرض الخارقة بوقت طويل. للتغلب على قيود الماس ، يلجأ الفيزيائيون إلى تجارب الضغط الديناميكي ، من النوع الذي يقوم به فيزيائي المعادن توم دوفي وفريقه في جامعة برينستون.
تنتج هذه التجارب المزيد من الضغوط الشبيهة بالأرض ، ولكن فقط لكسور من الثانية.
وقال دوفي ، الذي ترأس جلسة وكالة الأنباء الجزائرية حيث تحدث فالنسيا ، لـ Live Science: "الفكرة هي أنك تشعع عينة باستخدام ليزر عالي الطاقة ، وتسخن سطح تلك العينة بسرعة وتفجر البلازما".
أجزاء من العينة ، تسخينها فجأة ، تنفجر عن السطح ، مما يخلق موجة ضغط تتحرك من خلال العينة.
قال دافي: "إنه حقا مثل تأثير سفينة الصواريخ".
وقال إن العينات المعنية صغيرة - تقريبًا مسطحة ، وتبلغ مساحتها مليمترًا تقريبًا في مساحة السطح. ويستمر الأمر برمته مسألة نانو ثانية. عندما تصل موجة الضغط إلى الجزء الخلفي من العينة ، يتحطم كل شيء. ولكن من خلال الملاحظات الدقيقة خلال تلك النبضات القصيرة ، اكتشف دوفي وزملاؤه الكثافة وحتى الهياكل الكيميائية للحديد والجزيئات الأخرى تحت ضغوط لم يسمع بها من قبل.
وقال فالنسيا إنه لا تزال هناك العديد من الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها ، لكن حالة المعرفة في هذا المجال تتغير بسرعة. على سبيل المثال ، الورقة الأولى عن بنية الأرض الفائقة (التي نشرها فالنسيا في فبراير 2007 في مجلة الفيزياء الفلكية كطالب دراسات عليا في جامعة هارفارد) قديمة لأن علماء الفيزياء حصلوا على معلومات جديدة حول المواد الكيميائية داخل كوكبنا.
قال دافي إن الإجابة على هذه الأسئلة أمر مهم ، لأنها يمكن أن تخبرنا ما إذا كانت العوالم الغريبة البعيدة لها خصائص مثل تكتونية الصفائح والصهارة المتدفقة والمجالات المغناطيسية - وبالتالي ، ما إذا كان بإمكانها دعم الحياة.
