Uranus en Neptunus hebben beide een volledig scheef magnetisch veld, misschien vanwege de speciale innerlijke structuren van de planeten. Maar nieuwe experimenten van ETH Zürich-onderzoekers laten nu zien dat het mysterie onopgelost blijft.

De twee grote gasplaneten Uranus en Neptunus hebben vreemde magnetische velden. Deze zijn elk sterk gekanteld ten opzichte van de rotatie-assen van de planeet en zijn aanzienlijk verschoven ten opzichte van het fysieke centrum van de planeet. De reden hiervoor is een al lang bestaand mysterie in de planetaire wetenschappen. Verschillende theorieën gaan ervan uit dat een unieke innerlijke structuur van deze planeten verantwoordelijk zou kunnen zijn voor dit bizarre fenomeen. Volgens deze theorieën het scheve magnetische veld wordt veroorzaakt door circulaties in een convectieve laag, die bestaat uit een elektrisch geleidende vloeistof. Deze convectieve laag omringt op zijn beurt een stabiel gelaagde, niet-convectieve laag waarin door zijn hoge viscositeit geen circulatie van het materiaal is en dus geen bijdrage aan het magneetveld.

Buitengewone staten

Computersimulaties tonen aan dat water en ammoniak, de belangrijkste componenten van Uranus en Neptunus, bij zeer hoge drukken en temperaturen in een ongebruikelijke toestand terechtkomen:een "superionische toestand, " die de eigenschappen heeft van zowel een vaste stof als een vloeistof. In deze toestand, de waterstofionen worden mobiel binnen de roosterstructuur gevormd door zuurstof of stikstof.

Recente experimentele studies bevestigen dat superionisch water kan bestaan ​​op de diepte waar, volgens de theorie, het stabiel gelaagde gebied ligt. Het kan dus zijn dat de gelaagde laag wordt gevormd door superionische componenten. Echter, het is onduidelijk of de componenten daadwerkelijk in staat zijn om convectie te onderdrukken, omdat de fysieke eigenschappen van de superionische toestand niet bekend zijn.

Hoge druk in de kleinste ruimte

Tomoaki Kimura en Motohiko Murakami van de afdeling Aardwetenschappen van ETH Zürich zijn nu een stap dichter bij het vinden van het antwoord. De twee onderzoekers hebben in hun laboratorium hogedruk- en hogetemperatuurexperimenten uitgevoerd met ammoniak. Het doel van de experimenten was om de elasticiteit van het superionische materiaal te bepalen. Elasticiteit is een van de belangrijkste fysische eigenschappen die thermische convectie in de planetaire mantel beïnvloedt. Het is opmerkelijk dat de elasticiteit van de materialen in vaste en vloeibare toestand totaal verschillend is.

Voor hun onderzoeken de onderzoekers gebruikten een hogedrukapparaat dat een diamanten aambeeldcel wordt genoemd. In dit apparaat, de ammoniak wordt geplaatst in een kleine container met een diameter van ongeveer 100 micrometer, die vervolgens tussen twee diamanten punten wordt geklemd die het monster samendrukken. Hierdoor is het mogelijk om materialen aan extreem hoge drukken te onderwerpen, zoals die gevonden in Uranus en Neptunus.

Het monster wordt vervolgens verwarmd tot meer dan 2, 000 graden Celsius met een infrarood laser. Tegelijkertijd, een groene laserstraal verlicht het monster. Door het golfspectrum van het verstrooide groene laserlicht te meten, de onderzoekers kunnen de elasticiteit van het materiaal en de chemische binding in de ammoniak bepalen. De verschuivingen in het golfspectrum bij verschillende drukken en temperaturen kunnen worden gebruikt om de elasticiteit van ammoniak op verschillende diepten te bepalen.

Een nieuwe fase ontdekt

In hun metingen Kimura en Murakami hebben een nieuwe superionische ammoniakfase (γ-fase) ontdekt die een elasticiteit vertoont die vergelijkbaar is met die van de vloeibare fase. Deze nieuwe fase kan in het diepe binnenste van Uranus en Neptunus stabiel zijn en daarom daar plaatsvinden. Echter, de superionische ammoniak gedraagt ​​zich als een vloeistof en zou dus niet viskeus genoeg zijn om bij te dragen aan de vorming van de niet-convectieve laag.

De vraag welke eigenschappen het superionische water heeft in Uranus en Neptunus is des te urgenter in het licht van de nieuwe resultaten. Voor zelfs nu, het mysterie waarom de twee planeten zo'n onregelmatig magnetisch veld hebben, blijft nog steeds onopgelost.