Uranus och Neptunus har båda ett helt skevt magnetfält, kanske på grund av planeternas speciella inre strukturer. Men nya experiment av ETH Zürich-forskare visar nu att mysteriet förblir olöst.

De två stora gasplaneterna Uranus och Neptunus har märkliga magnetfält. Dessa är var och en starkt lutade i förhållande till planetens rotationsaxlar och är avsevärt förskjutna från planetens fysiska centrum. Anledningen till detta har varit ett långvarigt mysterium inom planetvetenskapen. Olika teorier antar att en unik inre struktur hos dessa planeter kan vara ansvarig för detta bisarra fenomen. Enligt dessa teorier, det skeva magnetfältet orsakas av cirkulationer i ett konvektivt lager, som består av en elektriskt ledande vätska. Detta konvektiva lager omger i sin tur ett stabilt lager, icke-konvektivt skikt i vilket det inte finns någon cirkulation av materialet på grund av dess höga viskositet och därmed inget bidrag till magnetfältet.

Extraordinära stater

Datorsimuleringar visar att vatten och ammoniak, huvudkomponenterna i Uranus och Neptunus, gå in i ett ovanligt tillstånd vid mycket höga tryck och temperaturer:ett "superioniskt tillstånd, " som har egenskaperna hos både en fast och en vätska. I detta tillstånd, vätejonerna blir rörliga inom gitterstrukturen som bildas av syre eller kväve.

Nyligen genomförda experimentella studier bekräftar att superioniskt vatten kan finnas på det djup där, enligt teorin, det stabilt skiktade området är beläget. Det kan därför vara så att det skiktade skiktet bildas av superjonkomponenter. Dock, det är oklart om komponenterna faktiskt kan undertrycka konvektion, eftersom de fysikaliska egenskaperna för det överjoniska tillståndet inte är kända.

Högt tryck på minsta utrymme

Tomoaki Kimura och Motohiko Murakami från institutionen för geovetenskaper vid ETH Zürich är nu ett steg närmare att hitta svaret. De två forskarna har genomfört högtrycks- och högtemperaturförsök med ammoniak i sitt laboratorium. Syftet med experimenten var att bestämma elasticiteten hos det superjoniska materialet. Elasticitet är en av de viktigaste fysiska egenskaperna som påverkar termisk konvektion i planetmanteln. Det är anmärkningsvärt att elasticiteten hos materialen i deras fasta och flytande tillstånd är helt olika.

För sina undersökningar, forskarna använde en högtrycksapparat som kallas en diamantstädcell. I denna apparat, ammoniaken placeras i en liten behållare med en diameter på cirka 100 mikrometer, som sedan kläms fast mellan två diamantspetsar som komprimerar provet. Detta gör det möjligt att utsätta material för extremt höga tryck, som de som finns inuti Uranus och Neptunus.

Provet värms sedan till över 2, 000 grader Celsius med en infraröd laser. På samma gång, en grön laserstråle lyser upp provet. Genom att mäta vågspektrumet för det spridda gröna laserljuset, forskarna kan fastställa materialets elasticitet och den kemiska bindningen i ammoniaken. Förskjutningarna i vågspektrumet vid olika tryck och temperaturer kan användas för att bestämma ammoniakens elasticitet på olika djup.

En ny fas upptäckt

I sina mått, Kimura och Murakami har upptäckt en ny superjonisk ammoniakfas (γ-fas) som uppvisar en elasticitet som liknar den i vätskefasen. Denna nya fas kan vara stabil i Uranus och Neptunus djupa inre och därför uppstå där. Dock, den superjoniska ammoniaken beter sig som en vätska och därför skulle den inte vara tillräckligt viskös för att bidra till bildandet av det icke-konvektiva skiktet.

Frågan om vilka egenskaper det överjoniska vattnet har inuti Uranus och Neptunus är desto mer angelägen mot bakgrund av de nya resultaten. Än nu, mysteriet om varför de två planeterna har ett så oregelbundet magnetfält är fortfarande olöst.