Regent het diamanten? Bevindt er zich super-ionisch water? Dit zijn slechts twee voorstellen die planeetwetenschappers hebben bedacht voor wat er zich bevindt onder de dikke, blauwachtige, waterstof- en heliumatmosferen van Uranus en Neptunus, de unieke, maar oppervlakkig gezien saaie ijsreuzen van ons zonnestelsel. Een planeetwetenschapper van de Universiteit van Californië, Berkeley, stelt nu een alternatieve theorie voor, dat het binnenste van beide planeten gelaagd is en dat de twee lagen, net als olie en water, niet mengen. Die configuratie verklaart netjes de ongebruikelijke magnetische velden van de planeten en impliceert dat eerdere theorieën over het inwendige waarschijnlijk niet kloppen.
In een artikel dat deze week verschijnt in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, stelt Burkhard Militzer dat er een diepe oceaan van water net onder de wolkenlagen ligt en daaronder een sterk samengeperste vloeistof van koolstof, stikstof en waterstof. Computersimulaties tonen aan dat onder de temperaturen en drukken van het binnenste van planeten, een combinatie van water (H2O), methaan (CH3) en ammoniak (NH3) zich op natuurlijke wijze zou scheiden in twee lagen, voornamelijk omdat waterstof uit het methaan en de ammoniak zou worden geperst die een groot deel van het diepe binnenste uitmaken. Deze onmengbare lagen zouden verklaren waarom noch Uranus noch Neptunus een magnetisch veld heeft zoals dat van de aarde. Dat was een van de verrassende ontdekkingen over de ijsreuzen in ons zonnestelsel die de Voyager 2-missie eind jaren tachtig deed. “We hebben nu, zou ik zeggen, een goede theorie waarom Uranus en Neptunus echt verschillende velden hebben, en het is heel anders dan de aarde, Jupiter en Saturnus,” zei Militzer, een UC Berkeley professor in aard- en planeetwetenschappen. “Dit wisten we nog niet eerder. Het is net olie en water, behalve dat de olie naar beneden gaat omdat er waterstof verloren gaat.” Als andere sterrenstelsels een vergelijkbare samenstelling hebben als het onze, dan zouden ijsreuzen rond die sterren wel eens vergelijkbare interne structuren kunnen hebben, aldus Militzer. Planeten ter grootte van Uranus en Neptunus, zogenaamde sub-Neptunus planeten, behoren tot de meest voorkomende exoplaneten die tot nu toe zijn ontdekt.
Convectie leidt tot magnetische velden
Als een planeet vanaf het oppervlak naar beneden afkoelt, zinkt koud en dichter materiaal naar beneden, terwijl klodders hetere vloeistof omhoog komen als kokend water, een proces dat convectie wordt genoemd. Als het inwendige elektrisch geleidend is, zal een dikke laag convecterend materiaal een dipool magnetisch veld opwekken, vergelijkbaar met dat van een staafmagneet. Het dipoolveld van de aarde, dat wordt veroorzaakt door de vloeibare ijzeren buitenkern, produceert een magnetisch veld dat van de noordpool naar de zuidpool loopt en is de reden dat kompassen naar de polen wijzen. Maar Voyager 2 ontdekte dat geen van de twee ijsreuzen zo'n dipoolveld heeft, alleen ongeorganiseerde magnetische velden. Dit impliceert dat er geen convectieve beweging is van materiaal in een dikke laag in het diepe binnenste van de planeten.
Om deze waarnemingen te verklaren, stelden twee afzonderlijke onderzoeksgroepen meer dan 20 jaar geleden voor dat de planeten lagen moeten hebben die zich niet kunnen mengen, waardoor grootschalige convectie en een globaal dipolair magnetisch veld worden voorkomen. Convectie in een van de lagen zou echter wel een ongeorganiseerd magnetisch veld kunnen veroorzaken. Maar geen van beide groepen kon verklaren waar deze niet-mengende lagen van gemaakt waren. Tien jaar geleden probeerde Militzer het probleem herhaaldelijk op te lossen met behulp van computersimulaties van ongeveer 100 atomen met de verhoudingen koolstof, zuurstof, stikstof en waterstof die de bekende samenstelling van elementen in het vroege zonnestelsel weerspiegelen. Bij de druk en temperatuur die voor het binnenste van de planeten werden voorspeld - respectievelijk 3,4 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde en 4.750 Kelvin (8.000°F), kon hij geen manier vinden om lagen te vormen.
Vorig jaar was hij echter in staat om met behulp van machine learning een computermodel te draaien dat het gedrag van 540 atomen simuleerde en tot zijn verbazing ontdekte hij dat lagen zich op natuurlijke wijze vormen als de atomen worden verhit en samengeperst. “Op een dag keek ik naar het model en het water had zich gescheiden van de koolstof en stikstof. Wat ik 10 jaar geleden niet kon doen, gebeurde nu wel,” zei hij. “Ik dacht: 'Wauw, nu weet ik waarom de lagen zich vormen: De ene is waterrijk en de andere is koolstofrijk, en in Uranus en Neptunus is het het koolstofrijke systeem dat zich onderin bevindt. Het zware deel blijft onderin en het lichtere deel blijft bovenin en kan niet convecteren."
“Ik kon dit niet ontdekken zonder een groot systeem van atomen, en het grote systeem kon ik 10 jaar geleden niet simuleren,” voegde hij eraan toe. De hoeveelheid waterstof die wordt uitgeperst neemt toe met de druk en de diepte, en vormt een stabiel gelaagde koolstof-stikstof-waterstoflaag, bijna zoals een plastic polymeer, zei hij. Terwijl de bovenste, waterrijke laag waarschijnlijk convecteert om het waargenomen ongeorganiseerde magnetische veld te produceren, kan de diepere, gelaagde koolwaterstofrijke laag dat niet. Toen hij de zwaartekracht van een gelaagde Uranus en Neptunus modelleerde, bleken de zwaartekrachtvelden overeen te komen met de velden die Voyager 2 bijna 40 jaar geleden had gemeten. “Als je mijn collega's vraagt: 'Wat denk je dat de velden van Uranus en Neptunus verklaart?' zeggen ze misschien: 'Nou, misschien is het die diamantenregen, maar misschien is het die watereigenschap die we superionisch noemen,'” zei hij. “Vanuit mijn perspectief is dat niet aannemelijk. Maar als we deze scheiding in twee afzonderlijke lagen hebben, zou dat het moeten verklaren.”
Militzer voorspelt dat onder de 1000-mijl dikke atmosfeer van Uranus een waterrijke laag ligt van ongeveer 1000 km dik en daaronder een koolwaterstofrijke laag van ook ongeveer 1000 km dik. Zijn rotsachtige kern is ongeveer zo groot als die van de planeet Mercurius. Neptunus is massiever dan Uranus, maar heeft een kleinere diameter, een dunnere atmosfeer, maar even dikke water- en koolwaterstoflagen. Zijn rotsachtige kern is iets groter dan die van Uranus, ongeveer zo groot als Mars. Hij hoopt samen te werken met collega's die met laboratoriumexperimenten onder extreem hoge temperaturen en drukken kunnen testen of zich lagen vormen in vloeistoffen met de verhoudingen van elementen die in het protosolaire systeem voorkomen. Een voorgestelde NASA-missie naar Uranus zou ook bevestiging kunnen geven, als het ruimteschip een Doppler-beeldvormer aan boord heeft om de trillingen van de planeet te meten. Een gelaagde planeet zou op andere frequenties trillen dan een convecterende planeet, aldus Militzere. Zijn volgende project is om zijn rekenmodel te gebruiken om te berekenen hoe de planeettrillingen zouden verschillen.
Bron: Robert Sanders/University of California at Berkeley
