در منظومه شمسی خودمان، مثالی از دو دسته اول نداریم، اما دو غول یخی داریم: اورانوس و نپتون. این سیارات گازی با اندازه متوسط در مناطق سرد و بیرونی منظومه شمسی شکل گرفتهاند و به همین دلیل سرشار از آب و ترکیبات فرّار هستند. آنها با غولهای گازی بزرگی مانند مشتری تفاوت زیادی دارند. با وجود پیشرفتها، هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری درباره این جهانها باقی مانده است. از جمله کشفهای شگفتانگیز ما تاکنون، ماهیت میدانهای مغناطیسی آنها است.
زمانی که کاوشگر وویجر ۲ در دهه ۱۳۵۸ از کنار اورانوس و نپتون عبور کرد، متوجه شد که هیچیک از این دو سیاره میدان مغناطیسی قوی و دوقطبی مشابه زمین ندارند. در عوض، هر دو میدان مغناطیسی ضعیفتر و آشفتهای دارند که شباهت بیشتری به میدان مغناطیسی مریخ دارد. این کشف با دانستههای ما درباره تشکیل سیارات همخوانی نداشت.
در دوران اولیه شکلگیری سیارات، دما درون آنها به دلیل فشردگی گرانشی بسیار بالا میرود. این گرما باعث میشود مواد سنگینتر مانند آهن به سمت هسته فرو روند، در حالی که مواد سبکتر مانند آب به سطح نزدیک شوند. در زمین، این فرآیند هستهای از نیکل و آهن و پوستهای از سیلیکاتها، آب و مواد آلی ایجاد کرده است. گرمای شدید هسته همچنین یک منطقه همرفتی به وجود آورده است؛ جایی که مواد داغ هسته به سمت بالا حرکت کرده و پس از خنک شدن به سمت پایین برمیگردند و جریان مدور ایجاد میکنند. در زمین، این منطقه همرفتی آهن میدان مغناطیسی قوی سیاره را تولید میکند. از آنجا که اورانوس و نپتون احتمالاً هستههای فلزی به اندازه زمین دارند، انتظار میرفت که منطقه همرفتی مشابهی داشته باشند و میدان مغناطیسی مشابهی ایجاد کنند. اما مشاهدات چنین چیزی را نشان نمیدهند.
پس از کشف وویجر ۲، این فرضیه مطرح شد که شاید مکانیزمی مانع از شکلگیری منطقه همرفتی شده است. شاید لایههای درون یک غول گازی مانند مخلوط آب و روغن با هم ترکیب نمیشوند. اما جزئیات این فرآیند ناشناخته باقی مانده بود. از آنجا که امکان بازسازی شرایط پرچگالی و پرفشار هسته غولهای گازی در آزمایشگاه وجود ندارد و از زمان وویجر ۲ تاکنون هیچ کاوشگر دیگری به این سیارات ارسال نشده است، نتوانستیم دادههای جدیدی بهدست آوریم.
یکی از روشهای احتمالی برای حل این معما استفاده از شبیهسازیهای رایانهای است. با این حال، شبیهسازی تعاملات صدها مولکول برای محاسبه خواص کلی آنها بسیار پیچیده است و کامپیوترهای یک دهه پیش قادر به انجام چنین محاسباتی نبودند. اما یک مطالعه جدید توانسته است خواص کلی بیش از ۵۰۰ مولکول را شبیهسازی کند که برای محاسبه نحوه شکلگیری لایههای یک غول یخی کافی است.
شبیهسازیها نشان میدهند که آب، متان و آمونیاک در ناحیه میانی اورانوس و نپتون به دو لایه غیرقابلمخلوط تفکیک میشوند. این امر عمدتاً به این دلیل است که هیدروژن از اعماق داخلی به بیرون رانده میشود، که امکان اختلاط را محدود میکند. بدون منطقه همرفتی در این لایهها، سیارات نمیتوانند میدان مغناطیسی قوی و دوقطبی ایجاد کنند. احتمالاً اورانوس هستهای سنگی به اندازه عطارد و نپتون هستهای به اندازه مریخ دارند.
آزمایشهای آینده در آزمایشگاه میتوانند برخی از این خواص کلی را تأیید کنند. همچنین، یک مأموریت پیشنهادی به اورانوس میتواند دادههایی برای تأیید یا رد این مدل فراهم کند.
