الكشف عن معدن مهم في تكوين الأرض الفائقة

في دراسة رائدة نُشرت في مجلة (Science Advances)، توصل الباحثون بقيادة جون ويكس، الأستاذ المساعد في علوم الأرض والكواكب في جامعة جونز هوبكنز، إلى اكتشاف معدن مهم في تكوين الأرض الفائقة (super-Earth). تشير النتائج التي توصل إليها الفريق إلى أن أكسيد المغنيسيوم، وهو معدن شائع موجود في الكواكب الصخرية، يلعب دورًا حاسمًا في تشكيل الجزء الداخلي من هذه الأجرام السماوية.

أكسيد المغنيسيوم

إن أكسيد المغنيسيوم، وهو معدن موجود في كل مكان في وشاح الأرض، هو لاعب حاسم في تكوين الأرض الفائقة. هذا المركب، الذي غالبًا ما يتم تجاهله في المخطط الكبير لتكوين الكواكب، وجد أنه يمتلك خاصية فريدة تميزه عن المعادن الأخرى، وهي أن درجة حرارة انصهاره عالية للغاية. هذه الخاصية تجعل من أكسيد المغنسيوم المادة الصلبة الأكثر أهمية التي تتحكم في الديناميكا الحرارية للأرض الفائقة الناشئة.
تخيل سيناريو حيث يبرد كوكب صخري حار، وينفصل الجزء الداخلي منه إلى قلب ووشاح. سيكون أكسيد المغنيسيوم، بدرجة حرارة انصهاره غير العادية، أول مادة صلبة تتبلور، مما يمهد الطريق لتطور الكوكب في المستقبل. سيكون لهذه العملية تأثير عميق على الديناميكا الحرارية للكوكب، مما يؤثر على تكوين قلبه ووشاحه وقشرته.

تاريخ موجز للأرض الفائقة وتكوينها

إن الكواكب الأرضية الفائقة، وهي أكبر من كوكبنا ولكنها أصغر من عمالقة الغاز مثل نبتون أو أورانوس، قد فتنت العلماء منذ فترة طويلة بسبب قدرتها على إيواء الحياة. يُعتقد أن هذه الكواكب الخارجية، الموجودة عادة في الأنظمة الشمسية الأخرى، تحتوي على كميات كبيرة من أكسيد المغنيسيوم، وهو معدن يلعب دورًا حاسمًا في تكوينها وتطورها.
يعود تاريخ اكتشاف الكواكب الأرضية الفائقة إلى التسعينيات، عندما اكتشف علماء الفلك لأول مرة كواكب تدور حول نجوم أخرى. ومنذ ذلك الحين، أحرز الباحثون تقدمًا هائلاً في فهم تركيبة هذه العوالم البعيدة. وفي حين يُعتقد أن بعض الكواكب الأرضية الفائقة غنية بالغاز، يُعتقد أن بعضها الآخر صخري، ولها أسطح مشابهة لتلك الموجودة على الأرض.
ومن المتوقع أن يكون أكسيد المغنيسيوم، وهو معدن شائع موجود في الصخور على كوكبنا، مكونًا رئيسيًا في الكواكب الصخرية الفائقة. إن الخصائص الرائعة لهذا المعدن، بما في ذلك درجة حرارة ذوبانه العالية للغاية، تجعله مرشحًا مثاليًا للتأثير على المجال المغناطيسي والبراكين والجيوفيزياء لهذه الكواكب الخارجية.

محاكاة الظروف القاسية

تخيل إعادة إنشاء الحرارة الشديدة والضغوط الساحقة الموجودة في أعماق الكوكب الصخري، كل ذلك في إطار السعي لفهم كيفية تشكل الكواكب الأرضية الفائقة. وهذا هو بالضبط ما فعله فريق من العلماء باستخدام منشأة (Omega-EP laser) في مختبر طاقة الليزر بجامعة روتشستر.
ولوضع أكسيد المغنسيوم، وهو معدن رئيسي في تكوين الأرض الفائقة، تحت الاختبار، أخضعه الفريق لظروف قاسية. وقاموا بتفجير بلورات صغيرة من المعدن باستخدام أشعة ليزر عالية الطاقة، لمحاكاة الضغوط الشديدة ودرجات الحرارة الموجودة في أعماق قلب الكوكب. ومن خلال القيام بذلك، تمكنوا من ملاحظة كيفية تغير بنية المعدن استجابة لهذه الظروف القاسية.
وباستخدام الأشعة السينية، تتبع العلماء كيفية إعادة ترتيب ذرات المعدن تحت الضغط، مع ملاحظة النقطة الدقيقة التي تحول عندها من الحالة الصلبة إلى السائلة. يعد هذا التحول حاسمًا في فهم كيفية تأثير أكسيد المغنيسيوم على تكوين الكواكب الأرضية الفائقة، حيث يمكن أن يؤثر على التوصيل الحراري للكوكب، والبراكين، وحتى مجاله المغناطيسي.

وأظهرت النتائج أن أكسيد المغنيسيوم يمكن أن يتواجد في كلا حالتيه عند ضغوط تتراوح بين 430 إلى 500 جيجاباسكال ودرجات حرارة تبلغ حوالي 9700 كلفن (ما يقرب من ضعف درجة حرارة سطح الشمس). وهذا التحول من مرحلة إلى أخرى له آثار مهمة على فهمنا لتكوين وتطور الكواكب الصخرية. كما يمكن أن يتحمل ضغوطًا تصل إلى 600 غيغا باسكال قبل أن يذوب تمامًا، وهو إنجاز رائع بالنظر إلى أن هذا يعادل حوالي 600 ضعف الضغط الموجود في أعمق خنادق المحيط.

• الموصلات الفائقة تاريخها وآلية عملها وتطبيقاتها
• المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة: مستقبل تخزين الطاقة؟
• ما هي الموصلات الفائقة وتطبيقاتها؟
• نظرية الأوتار الفائقة نظرية تفسر كل شيء!
• ما هي المكثفات فائقة التوصيل والتحديات التي تواجهها؟

تأثير أكسيد المغنسيوم على تطور كواكب الأرض الفائقة الناشئة

مع انخفاض حرارة الكوكب، سيؤثر تحول أكسيد المغنيسيوم بشكل كبير على كيفية تحرك الحرارة داخل الكوكب، مما يؤثر على تكوين اللب والوشاح. وهذا بدوره سيحدد تطور المحيطات والغلاف الجوي وغيرها من السمات الرئيسية للأرض الفائقة الفتية. بفضل قدرته على التحكم في تدفق الحرارة، يصبح أكسيد المغنيسيوم وكيلًا لفهم الديناميكيات الداخلية لهذه العوالم البعيدة.
ولهذا الاكتشاف آثار بعيدة المدى على فهمنا لكيفية تطور الكواكب الأرضية الفائقة وتميزها عن بعضها البعض. ومن خلال فهم دور أكسيد المغنيسيوم في هذه العمليات، يمكن للعلماء تحسين نماذجهم واكتساب رؤى أعمق حول أسرار تكوين الكواكب. بينما نواصل استكشاف الامتداد الشاسع للمجرة، فإن معرفة أهمية أكسيد المغنيسيوم ستساعدنا على فهم أفضل لمجموعة متنوعة من العوالم الموجودة، من الحرارة الحارقة إلى الجليد البارد، وكل شيء بينهما.

المصادر:

Laser tests reveal new insights into key mineral for super-Earths / science daily