Μπορεί ένας παγωμένος πυρήνας από πάνω προς τα κάτω να εξηγήσει το μαγνητικό πεδίο του Γανυμήδη;
Το φεγγάρι του Ιοβιανού Γανυμήδη διαθέτει ένα εσωτερικά παραγόμενο, σημερινό μαγνητικό πεδίο. Αυτό το εύρημα ήταν ένα από τα πιο απροσδόκητα κατά τη διάρκεια της αποστολής Galileo το 1996. Ο Γανυμήδης είναι ένα παγωμένο φεγγάρι, δηλαδή το νερό αποτελεί το 46-48% της συνολικής του μάζας. Ένα παχύ παγωμένο κέλυφος (900 χλμ.) σχηματίζει το πιο εξωτερικό στρώμα του Γανυμήδη κάτω από το οποίο βρίσκεται ένας βραχώδης μανδύας. Το πιο εσωτερικό μέρος πιθανότατα είναι ένας μεταλλικός πυρήνας.
Ενώ οι επιστήμονες κατέληξαν σε διαφορετικές εξηγήσεις για την προέλευση του μαγνητικού πεδίου του Γανυμήδη, η πιο πιθανή περιοχή πηγής είναι ο μεταλλικός πυρήνας. Από τα μέσα του εικοστού αιώνα, είναι γνωστό ότι οι πολύπλοκες κινήσεις υγρού μετάλλου μπορούν να οδηγήσουν σε ένα αυτοσυντηρούμενο δυναμό σε πλανητικούς πυρήνες. Ένα τέτοιο μαγνητοϋδροδυναμικό δυναμό μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε μαγνητική ενέργεια με βάση την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Ως αποτέλεσμα, οι μικρές διαταραχές του μαγνητικού πεδίου ενισχύονται και οδηγούν σε ένα μαγνητικό πεδίο πεπερασμένου πλάτους, το οποίο τελικά μετράται από διαστημικές αποστολές.
Ωστόσο, δεν παρουσιάζουν δυναμό κάθε πλανήτης ή φεγγάρι με μεταλλικό πυρήνα. Μια κοινή παρατήρηση είναι ότι τα επίγεια σώματα μικρότερα από τη Γη, όπως ο Άρης, η Σελήνη, και πιθανώς ορισμένοι αστεροειδείς δείχνουν μόνο σημάδια αρχαίου μαγνητικού πεδίου, αλλά στερούνται μαγνητικής δραστηριότητας, σήμερα. Από αυτή την άποψη, το σημερινό μαγνητικό πεδίο του Γανυμήδη προκαλεί έκπληξη.
Μια σημαντική προϋπόθεση για το δυναμό του πυρήνα είναι η κίνηση του ηλεκτρικά αγώγιμου υγρού (κινητική ενέργεια). Η πιο πιθανή πηγή για την παραγωγή κινητικής ενέργειας στον μεταλλικό πυρήνα είναι μέσω θερμοχημικής συναγωγής. Η θερμοχημική μεταφορά συνεπάγεται δύο μηχανισμούς κίνησης για τις κινήσεις του υγρού:θερμική μεταφορά λόγω διαφορών θερμοκρασίας (π.χ. βραστό νερό σε μια κατσαρόλα στη σόμπα) ή μεταφορά σύστασης λόγω διαφορών σύνθεσης (π.χ. βύθιση γάλακτος στον καφέ). Ένα θερμικά οδηγούμενο δυναμό μπορεί συνήθως να συμβεί κατά την πολύ πρώιμη εξέλιξη (πριν από 4000-4500 Myr), αλλά είναι πολύ πιο δύσκολο να διατηρηθεί μέχρι σήμερα, ειδικά για τέτοια μικρά πλανητικά σώματα όπως ο Γανυμήδης. Αυτό υπογραμμίζει τη σημασία της συνθετικής μεταφοράς για να εξηγήσει το σημερινό δυναμό του Γανυμήδη.
Η συνθετική μεταφορά στους πλανητικούς πυρήνες συνδέεται συχνά με τη διαφοροποίηση του πυρήνα, δηλαδή όταν τμήματα του πυρήνα γίνονται συμπαγή και ως εκ τούτου απελευθερώνουν πλευστά φωτεινά στοιχεία. Η ύπαρξη ελαφρών στοιχείων στον πυρήνα είναι κρίσιμη για τη συνθετική μεταφορά. Οι σεισμολογικές παρατηρήσεις του πυρήνα της Γης έχουν δείξει ότι αποτελείται κυρίως από σίδηρο ή νικέλιο και ορισμένα ελαφρά κράματα στοιχεία όπως για παράδειγμα θείο, οξυγόνο, υδρογόνο ή πυρίτιο. Όλα αυτά τα στοιχεία είναι άφθονα στο Ηλιακό Σύστημα και επομένως θεωρείται ότι υπάρχουν και στους μεταλλικούς πυρήνες άλλων πλανητικών σωμάτων. Αν και η ακριβής σύνθεση του πυρήνα είναι άγνωστη, η πιο μελετημένη σύνθεση είναι ένα μείγμα σιδήρου και θείου (Fe-FeS).
Πάγωμα από πάνω προς τα κάτω στον πυρήνα του Γανυμήδη
Ενώ ο πυρήνας της Γης παγώνει από κάτω προς τα πάνω σχηματίζοντας έναν εσωτερικό συμπαγή πυρήνα σιδήρου, πειραματική εργασία σε κράματα Fe-FeS χαμηλής πίεσης υποδηλώνει ότι η κατάψυξη του πυρήνα μπορεί να εξελιχθεί πολύ διαφορετικά σε μικρά πλανητικά σώματα όπως ο Γανυμήδης. Οι πυρήνες αυτών των μικρών σωμάτων πιθανότατα παγώνουν από την κορυφή προς τα κάτω. Μια πρόσφατη μελέτη από ερευνητές από το DLR (Rückriemen, Breuer και Spohn) διερευνά εάν ένα δυναμό που τροφοδοτείται από πάγωμα από πάνω προς τα κάτω μπορεί να εξηγήσει το σημερινό μαγνητικό πεδίο του Γκανιμήδη.
Μπορούν να οραματιστούν δύο διαφορετικά σενάρια κατάψυξης από πάνω προς τα κάτω ανάλογα με το πόσο θείο υπάρχει στον πυρήνα. Εάν ο πυρήνας είναι πλούσιος σε σίδηρο, τότε ο στερεός σίδηρος μπορεί να σχηματιστεί ως ελεύθεροι κρύσταλλοι στην κορυφή του πυρήνα (Fe snow καθεστώς). Η περιοχή όπου σχηματίζονται κρύσταλλοι σιδήρου ονομάζεται ζώνη χιονιού. Οι βαρείς κρύσταλλοι σιδήρου βυθίζονται στη ζώνη του χιονιού έως ότου οι συνθήκες είναι τέτοιες ώστε να λιώσουν ξανά. Το λιώσιμο του σιδήρου ορίζει το κάτω μέρος της ζώνης του χιονιού. Οι επαναλιωμένοι κρύσταλλοι βαρέος σιδήρου πυροδοτούν τη συνθετική μεταφορά στον βαθύτερο πυρήνα κάτω από τη ζώνη του χιονιού.
Με τη συνεχή ψύξη του πυρήνα, η ζώνη του χιονιού μεγαλώνει σε βάρος του βαθύτερου, υγρού πυρήνα και τελικά σχηματίζεται ένας εσωτερικός, συμπαγής πυρήνας σιδήρου από τη συσσώρευση κρυστάλλων σιδήρου στο κέντρο. Μια ιδιαιτερότητα του καθεστώτος χιονιού Fe είναι ότι η συνθετική μεταφορά διαρκεί μόνο όσο χρειάζεται η ζώνη χιονιού να αναπτυχθεί σε ολόκληρο τον πυρήνα. Αυτό σημαίνει ότι η μέγιστη διάρκεια ζωής του δυναμό περιορίζεται από την ανάπτυξη της ζώνης χιονιού. Εάν ο πυρήνας είναι πλούσιος σε θείο, σχηματίζεται στερεό θειούχο σίδηρο (FeS) δημιουργώντας ένα συμπαγές στρώμα στην κορυφή του πυρήνα που συνδέεται με τον υπερκείμενο βραχώδη μανδύα (στρώμα FeS καθεστώς).
Ο σχηματισμός αυτού του στρώματος απελευθερώνει βαρύ υγρό σίδηρο στη διεπιφάνεια στερεού-υγρού, το οποίο τελικά οδηγεί σε σύσταση μεταφοράς στον βαθύτερο πυρήνα. Το σχετικό δυναμό μπορεί θεωρητικά να λειτουργήσει έως ότου ολόκληρος ο πυρήνας γίνει στερεός, δεδομένου ότι είναι διαθέσιμη αρκετή ενέργεια, δηλαδή η μεταφορά της σύνθεσης είναι αρκετά έντονη. Κατά συνέπεια, το δυναμό στο καθεστώς στρώματος FeS δεν είναι τόσο περιορισμένο χρονικά όσο το δυναμό στο καθεστώς χιονιού Fe.
Χρονισμός του Dynamo
Οι συγγραφείς μελέτησαν τον χρονισμό του δυναμό αναπτύσσοντας ένα συζευγμένο μονοδιάστατο μοντέλο θερμοχημικής εξέλιξης του μανδύα και του πυρήνα του Γανυμήδη. Με βάση αυτό το μοντέλο, οι συγγραφείς μπορούν να υπολογίσουν τη διαθέσιμη ισχύ στο δυναμό ως συνάρτηση του χρόνου. Αυτή η ισχύς χρησιμοποιείται στη συνέχεια ως είσοδος στους νόμους κλιμάκωσης του μαγνητικού πεδίου για να απαντηθεί στο ερώτημα εάν ένα μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται στο καθεστώς του χιονιού Fe ή του στρώματος FeS μπορεί να υπάρχει σήμερα. Τα μοντέλα θερμικής εξέλιξης επιτρέπουν συνήθως ένα ευρύ φάσμα αποδεκτών παραμέτρων εισόδου, επειδή οι αρχικές συνθήκες, καθώς και πολλές παράμετροι υλικού, δεν είναι γνωστές. Οι συγγραφείς, επομένως, κάνουν χρήση ενός μεγάλου αριθμού προσομοιώσεων Monte Carlo, όπου κάθε προσομοίωση είναι ένας ψευδοτυχαίος συνδυασμός αυτών των παραμέτρων. Μια προσομοίωση ονομάζεται "επιτυχής" εάν εξηγεί ένα σημερινό μαγνητικό πεδίο.
Το κύριο εύρημα της μελέτης είναι ότι το χιόνι Fe, καθώς και το καθεστώς στρώματος FeS, μπορούν να εξηγήσουν το σημερινό μαγνητικό πεδίο του Γανυμήδη. Τα επιτυχημένα μοντέλα Fe χιόνι και στρώματα FeS έχουν συγκεντρώσεις θείου μεταξύ 4-19 wt% (ποσοστό κατά μάζα) και 26-36 wt%. Όλα τα επιτυχημένα μοντέλα δείχνουν μια συσχέτιση μεταξύ της αρχικής συγκέντρωσης θείου στον πυρήνα και του ιξώδους αναφοράς του βραχώδους μανδύα. Το τελευταίο ελέγχει την αποτελεσματικότητα της μεταφοράς του μανδύα και συνεπώς τον βαθμό ψύξης του πυρήνα. Όσο χαμηλότερο είναι το ιξώδες αναφοράς τόσο πιο αποτελεσματική η μεταφορά του μανδύα και το αντίστροφο.
Η διάρκεια ζωής του δυναμό είναι η πιο σημαντική διαφορά μεταξύ των δύο σεναρίων παγώματος. Ενώ τα δυναμό στο καθεστώς στρώματος FeS μπορούν να είναι ενεργά για μεγάλες χρονικές περιόδους (αρκετές χιλιάδες εκατομμύρια χρόνια), είναι εντυπωσιακά βραχύβια (λιγότερο από χίλια εκατομμύρια χρόνια) στο καθεστώς χιονιού Fe. Το τελευταίο οφείλεται στην ταχεία ανάπτυξη της ζώνης του χιονιού και στη σχετική παύση του δυναμό. Εάν η παρουσία του μαγνητικού πεδίου έχει επηρεάσει την επιφάνεια, μπορεί να είναι δυνατό να προσδιοριστεί η ηλικία του δυναμό και να διακριθούν τα δύο συστήματα κατάψυξης από πάνω προς τα κάτω.
Η μελέτη είναι ένα σημαντικό βήμα προς την εξερεύνηση εναλλακτικών μηχανισμών κατάψυξης πυρήνων που διαφέρουν θεμελιωδώς από την κρυστάλλωση πυρήνα από κάτω προς τα πάνω που μοιάζει με τη Γη. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κατάψυξη από πάνω προς τα κάτω είναι σημαντική για μικρά πλανητικά σώματα με μεταλλικούς πυρήνες και, τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό, παρέχουν μια βιώσιμη εξήγηση για το αινιγματικό μαγνητικό πεδίο του Γανυμήδη.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Πάγωμα από πάνω προς τα κάτω σε έναν πυρήνα Fe–FeS και το σημερινό μαγνητικό πεδίο του Γανυμήδη, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από την Tina Rückriemen και Tilman Spohn από το Institute for Planetary Research, DLR και University of Münster και Doris Breuer από το Institute for Planetary Research, DLR.
