چرا میدان مغناطیسی نپتون اینقدر عجیب است؟ یک مولکول عجیب و غریب ممکن است راه حل باشد

در اعماق منظومه شمسی ما – قلمرویی که شیمی در آن با حدس و گمان روبرو می شود – دانشمندان وجود احتمالی مولکولی به نام آکودیوم را گزارش کرده اند که پسرعموی گریزان یون آمونیوم است. اگر درست باشد، می تواند عجیب بودن میدان مغناطیسی نپتون و اورانوس را توضیح دهد.

این یک مشکل بزرگ است زیرا آکودیوم پایدار که از چهار اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن (H4O2+) تشکیل شده است، به دلیل سد انرژی بالا که در افزودن پروتون دوم به مولکول هیدرونیوم (H3O+) دخیل است، هرگز مشاهده نشده است. که چگونه آکودیوم باید تشکیل شود. با این حال، ساخت هیدرونیوم کمی ساده تر است. از طریق فرآیند اساسی افزودن پروتون به آب تشکیل می شود. پرش از هیدرونیوم به آکودیوم قسمت سخت آن است.

با این حال، با کمک مدل‌های کامپیوتری پیشرفته، محققان یک زیستگاه بالقوه برای آکودیوم را مشخص کرده‌اند: فشار شدید موجود در هسته غول‌های یخی اورانوس و نپتون. و مهمتر از همه، حضور آن در این محیط شدید و یخی می‌تواند به توضیح میدان‌های مغناطیسی غیرعادی سیارات کمک کند – به طرز عجیبی، آنها هر دو نسبت به محور چرخش خود بسیار کج هستند و به طور قابل توجهی از مراکز سیارات منحرف شده‌اند.

آیا آکودیوم می تواند مقصر باشد؟

شیمی عجیب و غریب برای جهان های عجیب و غریب

به دلیل داشتن اندازه و جرم مشابه، هسته های نپتون و اورانوس تقریباً یکسان هستند. هر دو دارای هسته های سنگی مانند مشتری و زحل هستند، اما بر خلاف همسایگان بزرگترشان، فشار داخلی آنها برای تبدیل هیدروژن مولکولی به یک فلز مایع رسانای الکتریکی کافی نیست. در عوض، گوشته بزرگی از آب یخی و آمونیاک در حدود ۱۲۴۲۷ مایل (۲۰۰۰۰ کیلومتر) زیر سطح این دنیاها تشکیل می شود.

اینجاست که چیزها جالب می‌شوند: نویسندگان این مطالعه پیشنهاد می‌کنند که میدان‌های مغناطیسی غیرمعمول سیارات می‌تواند توسط یون‌هایی که به‌عنوان حامل بار عمل می‌کنند تولید شود. یون ها اتم ها یا مولکول هایی با بار الکتریکی خالص هستند که در نتیجه از دست دادن یا افزایش یک یا چند الکترون به وجود می آیند. این یون‌های مربوط به میدان‌های مغناطیسی اورانوس و نپتون نباید صرفاً به عنوان پروتون مستقل وجود داشته باشند، بلکه می‌توانند شامل هیدرونیوم، آمونیوم و آکودیوم نیز باشند.

در شیمی، یک مولکول به طور معمول در کم انرژی ترین شکل خود وجود دارد که به عنوان حالت پایه شناخته می شود. این به این دلیل است که طبیعت تمایل دارد مسیر کمترین مقاومت را دنبال کند و حالت پایه عواملی مانند کرنش پیوند را به حداقل می‌رساند، به این معنی که اتم‌های درون مولکول در زوایای کمتر از حد ایده‌آل به هم متصل می‌شوند و دافعه الکترواستاتیکی، جایی که اتم‌ها یا گروه‌های باردار درون مولکول ها یکدیگر را دفع می کنند چالش با تشکیل آکودیوم (H4O2+) در افزایش دافعه و کرنش الکترواستاتیکی است که هنگام افزودن پروتون دوم به یون هیدرونیوم رخ می‌دهد – مانند تلاش برای گرد هم آوردن دو آهنربا با بار مثبت.

هنگامی که یک پروتون برای تشکیل هیدرونیوم به آب اضافه می شود، این دو عامل به راحتی غلبه می کنند. مولکول حاصل دارای یک بار مثبت است که فقط روی یکی از اتم‌های اکسیژن قرار دارد و اتم‌های هیدروژن در یک هندسه پایدار در اطراف اتم اکسیژن در مرکز قرار گرفته‌اند. برای رفتن از این وضعیت به آکودیوم، باید پروتون دومی را به ساختار اضافه کنید – اما این باعث افزایش مقدار بار مثبت در مولکول می‌شود که منجر به دافعه الکترواستاتیکی قابل‌توجهی بین پروتون‌های دارای بار مثبت می‌شود و هیدرونیوم موجود را مختل می‌کند. ساختار مولکولی، ایجاد کرنش.

در شرایط عادی، این عوامل اجازه تشکیل آکودیوم پایدار را نمی دهند. تنها راه ممکن این است که انرژی کافی در واکنش وجود داشته باشد تا به هر حال مولکول را مجبور کند تا با هم جمع شود، در میان تمام فشارها، دافعه و سایر عوارضی که حتی در مورد آنها صحبت نشده است. ما چنین انرژی روی زمین نداریم. با این حال، تحت شرایط شدید در اورانوس و نپتون، ممکن است در واقع انرژی کافی وجود داشته باشد.

دانشمندان گزارش کردند که آکودیوم به عنوان یک نتیجه قابل قبول در شبیه‌سازی‌های خود ظاهر می‌شود، زیرا فشارهای بسیار بالایی که در این دنیاها یافت می‌شود، پیوند یون‌های اکسیژن و هیدروژن را تشویق می‌کند به طوری که آکودیوم می‌تواند تثبیت شود. و اگر آکودیوم پایدار در این سیارات کمین کند، خوب، ممکن است در نهایت در مسیر رمزگشایی باشیم که میدان‌های مغناطیسی عجیب و غریب خود را از کجا دریافت می‌کنند.

این مطالعه در ماه مه در مجله Physical Review B منتشر شد.