نشان دهند که یک حالت عجیب از ماده — حالتی که نه کاملاً جامد است و نه کاملاً مایع — و پیشتر تصور میشد در هستهی درونی زمین وجود دارد، واقعاً امکانپذیر است.
این حالت خاص که «ابریونی» (Superionic) نام دارد، میتواند بهخوبی برخی رفتارهای غیرعادی هستهی زمین را توضیح دهد؛ از جمله اینکه چرا هسته برخی از امواج لرزهای را کند میکند، و چرا اندازهگیریها نشان میدهند که هستهی درونی بیشتر حالتی «نرم و فشردهپذیر» شبیه کره دارد، نه سفت و سخت مانند فولاد سرد.
یوجون ژانگ، فیزیکدان دانشگاه سیچوان در چین، در اینباره میگوید:
«برای نخستین بار، ما بهطور تجربی نشان دادیم که آلیاژ آهن–کربن تحت شرایط هستهی درونی زمین، سرعت برشی بسیار پایینی از خود نشان میدهد.»
او ادامه میدهد:
«در این حالت، اتمهای کربن بهشدت متحرک میشوند و در میان چارچوب بلوری آهن نفوذ میکنند؛ درست مانند کودکانی که در میان یک رقص گروهی حرکت میکنند. در حالی که خود آهن همچنان جامد، منظم و پایدار باقی میماند. این فاز موسوم به “ابریونی” باعث کاهش چشمگیر سختی و صلبیت آلیاژ میشود.»
از دههی ۱۹۳۰ میلادی، دیدگاه غالب دربارهی ساختار درونی زمین بر این اساس بوده است که هستهی بیرونی بهصورت مذاب و مایع است، اما هستهی درونی — با وجود دمای بسیار بالا — به دلیل فشار فوقالعادهای که از وزن کل زمین بر آن وارد میشود، در حالت جامد باقی میماند. با این حال، دادههای لرزهای که طی دههها جمعآوری شدهاند، همواره نشانههایی ارائه دادهاند که گویی این تصویر، تمام واقعیت را نشان نمیدهد.
دانش ما از ساختار درونی زمین تقریباً بهطور کامل بر پایهی مشاهدات لرزهای است. نحوهی انتشار، شکست و بازتاب امواج صوتی و لرزهای هنگام عبور از مواد مختلف، اطلاعات ارزشمندی دربارهی خواص لایههای درونی سیاره به ما میدهد. این دادهها باعث شدهاند که تصویری نسبتاً دقیق از معماری درونی زمین ترسیم کنیم. اما نکتهی عجیب این است که سرعت پایین امواج برشی در هستهی درونی نشان میدهد که اگر این ناحیه جامد هم باشد، قطعاً جامدی از نوعی که ما در زندگی روزمره میشناسیم نیست.
در سال ۲۰۲۲، گروهی از پژوهشگران به رهبری ژئوفیزیکدان «یو هه» از آکادمی علوم چین، بهصورت نظری نشان دادند که حالت ابریونی میتواند این معما را حل کند. بر اساس این نظریه، فشار عظیمی که در هستهی درونی وجود دارد، شبکهی آهنی را در حالت جامد نگه میدارد، اما دمای بسیار بالا به اتمهای سبکتر — مانند کربن — اجازه میدهد آزادانه حرکت کنند و رفتاری شبیه مایع داشته باشند. نتیجه، حالتی است که همزمان ویژگیهای جامد و مایع را دارد.
اکنون، شواهد تجربی این فرضیه را تأیید کردهاند. ژانگ، هه و همکارانشان از روشی به نام «فشردهسازی ضربهای پویا» (Dynamic Shock Compression) استفاده کردند تا نمونهای کوچک از آلیاژ آهن–کربن را آنقدر تحت فشار قرار دهند که رفتارش دقیقاً مشابه رفتاری شود که انتظار میرود همین آلیاژ در شرایط هستهی درونی زمین از خود نشان دهد.
برای شتاب دادن به نمونهها، آنها از تفنگهای گازی دومرحلهای استفاده کردند؛ ابزارهایی بسیار دقیق که با بهرهگیری از باروت بدون دود و گاز فشرده، ذرات بسیار کوچک را با سرعتهایی فوقالعاده بالا پرتاب میکنند.
در این آزمایش، پرتابهی آهن–کربن با سرعتی بیش از ۷ کیلومتر بر ثانیه به هدفی از جنس فلورید لیتیوم — مادهای بسیار فشردهپذیر — شلیک شد. برخورد این دو باعث ایجاد یک موج ضربهای بازگشتی شد که نمونه را تا فشارهایی حدود ۱۴۰ گیگاپاسکال و دماهایی نزدیک به ۲۶۰۰ کلوین (حدود ۲۳۲۷ درجهی سانتیگراد) فشرده کرد.
هرچند این شرایط هنوز به اندازهی هستهی درونی زمین شدید نیست — چرا که فشار آن ناحیه بین ۳۳۰ تا ۳۶۰ گیگاپاسکال و دمای آن بین ۵۰۰۰ تا ۶۰۰۰ کلوین برآورد میشود — اما بهاندازهای بالا هست که ویژگیهای کلیدی محیط هسته را بازآفرینی کند.
این شرایط شبیهسازیشده تنها برای چند نانوثانیه تا چند میکروثانیه پایدار میمانند، اما همین بازهی زمانی بسیار کوتاه نیز برای اندازهگیری دما، چگالی و نحوهی انتشار امواج صوتی با استفاده از لیزرها و حسگرهای بسیار سریع کافی است.
نتایج بهدستآمده کاملاً با دادههای لرزهای واقعی از هستهی درونی زمین همخوانی داشتند: سرعت پایین امواج برشی و مقدار بالای «نسبت پواسون» — شاخصی از میزان فشردهپذیری و نرمی ماده — دقیقاً همان چیزی بود که پیشتر در مشاهدات لرزهای دیده شده بود.
پژوهشگران نشان دادند که در این شرایط، شبکهی آهنی مانند ستونی محکم و ثابت در جای خود باقی میماند، در حالی که اتمهای کربن در میان فضاهای خالی آن آزادانه حرکت میکنند؛ تصویری که خود دانشمندان با تشبیهی جالب توضیح دادند: آهن مانند بتمن است که استوار ایستاده، و کربن مانند رابین که در اطراف او با جنبوجوش حرکت میکند.
این نتیجه از نظر علمی بسیار زیبا و قانعکننده است. نهتنها توضیح میدهد چرا دادههای لرزهای چنین رفتار عجیبی را نشان میدهند، بلکه با تکیه بر شواهد تجربی — که نزدیکترین چیز ممکن به بررسی مستقیم هستهی درونی زمین است — به دههها بحث و اختلافنظر دربارهی رفتار عناصر سبک تحت فشارهای فوقالعاده بالا پایان میدهد.
این کشف حتی میتواند به درک بهتر میدان مغناطیسی زمین نیز کمک کند؛ ساختاری عظیم که از حرکت رسانش و همرفت مواد در اعماق سیاره سرچشمه میگیرد و تا فضای اطراف زمین گسترش مییابد.
ژانگ در پایان میگوید:
«ما در حال فاصله گرفتن از یک مدل ایستا و کاملاً سخت از هستهی درونی زمین هستیم و بهسوی مدلی پویا و زنده حرکت میکنیم. درک این حالت پنهان ماده، ما را یک گام دیگر به کشف رازهای درونی سیاراتی شبیه زمین نزدیکتر میکند.»