Некоторые планеты обладают планетарными магнитными полями, в то время как другие — нет. Меркурий обладает слабым магнитным полем, в то время как Венера и Марс не имеют значительного магнитного поля. Это стало плохой новостью для Марса (или для любых существ, живших на Марсе в прошлом), поскольку отсутствие значительного магнитного поля позволило солнечному ветру постепенно разрушить большую часть атмосферы. Жизнь на Земле находится под защитой сильного планетарного магнитного поля, защищающего нас от солнечной радиации.
Магнитное поле Земли создается расплавленным железом во внешнем ядре. Вращающиеся электрические заряды генерируют магнитные поля, а железо является проводящим материалом. Это называется теорией динамо, согласно которой огромный импульс вращающегося железного ядра преобразует часть его энергии в магнитное поле. На самом деле, расплавленное внешнее ядро вращается немного быстрее, чем остальная часть Земли. Это явление, вероятно, также является источником слабого магнитного поля Меркурия.
Два газовых гиганта обладают магнитными полями, причем Юпитер обладает самым сильным магнитным полем из всех планет (Солнце обладает самым сильным магнитным полем в Солнечной системе). Самый большой спутник планеты, Ганимед, также обладает слабым магнитным полем, что делает его единственным спутником в нашей Солнечной системе, обладающим таким полем. Магнитное поле Юпитера в 20 000 раз сильнее земного. Он массивный и мощный. Вопрос в том, что генерирует магнитное поле внутри Юпитера? Вероятно, это не расплавленное железное ядро, как на Земле. Основываясь на массе Юпитера и других характеристиках, астрономы предполагают, что магнитное поле создается жидким водородом в его ядре. При экстремальном давлении, даже при высоких температурах, водород может превращаться в металлическую жидкость, способную нести заряд и, следовательно, генерировать магнитное поле. Это, вероятно, также является источником магнитного поля Сатурна, хотя его поле немного слабее земного.
Уран и Нептун считаются ледяными гигантами, около 80% их массы составляют ледяные вещества, такие как метан, аммиак и вода. У них обоих странные магнитные поля. Магнитное поле Нептуна в 27 раз сильнее магнитного поля Земли и значительно отклонено от оси вращения. Магнитное поле Урана еще более странное, оно в 1/3-4 раза превышает магнитное поле Земли. По данным НАСА, “магнитная ось наклонена почти на 60 градусов от оси вращения планеты, а также смещена от центра планеты на одну треть ее радиуса”. Из-за формы и характеристик их полей астрономы не считают, что они происходят из жидкого металлического водородного ядра. Вместо этого они предполагают, что их магнитные поля происходят из жидких слоев, расположенных непосредственно под их жидкой поверхностью.
Если маленькие скалистые планеты получают свои магнитные поля от расплавленных железных ядер, а газовые гиганты — от жидкого металлического водорода, то откуда же берутся магнитные поля у ледяных гигантов? Этот вопрос изучают астрономы, и недавнее исследование может пролить некоторый свет на этот вопрос. Гипотеза состоит в том, что вращающийся проводящий материал ледяных гигантов, генерирующий их магнитные поля, является суперионным водяным льдом. Чтобы понять, что это такое, взгляните на фазовую диаграмму воды, приведенную выше. Горизонтальная ось — это температура, а вертикальная ось — давление. Как вы можете видеть, при сверхвысоких давлениях даже очень горячая вода все еще находится в состоянии льда (синяя часть). Вопрос к физикам заключается в следующем: каковы свойства водяного льда при таких давлениях, которые мы могли бы наблюдать внутри ледяных гигантов?
Их исследования показывают, что при температуре и давлении, которые, вероятно, присутствуют под поверхностью Нептуна и Урана, вода образует то, что они называют суперионным льдом. Атомы кислорода в воде образуют решетку, через которую свободно проходят ионы водорода. Свободно перемещающиеся ионы водорода создают высокий электрический заряд, а движущийся электрический заряд создает магнитное поле. Таким образом, они, возможно, наткнулись на механизм, с помощью которого ледяные гиганты, как правило, генерируют планетарное магнитное поле.
Как исследователям это удалось?
“Итак, наша исследовательская группа, возглавляемая Виталием Прокопенкой из Чикагского университета, решила использовать множество спектроскопических инструментов для составления карты изменений структуры и свойств льда в условиях, превышающих нормальное атмосферное давление в 1,5 миллиона раз и температуру около 11 200 градусов по Фаренгейту”, — пояснил Александр Гончаров из Карнеги.
“Чтобы исследовать структуру этого уникального состояния вещества в очень экстремальных условиях — при нагреве лазером и сжатии между двумя алмазами — мы использовали мощный синхротронный рентгеновский луч от усовершенствованного источника фотонов, который был сфокусирован примерно до 3 микрометров, что в 30 раз меньше, чем у одиночного фотона. человеческие волосы”, — сказал Прокопенко, объясняя работу, проделанную с использованием лучевой линии GSECARS. “Эти эксперименты настолько сложны, что нам пришлось провести несколько тысяч из них в течение десятилетия, чтобы получить достаточно качественных данных для решения давней загадки поведения льда при высоком давлении и высокой температуре в условиях, характерных для недр планеты-гиганта”.
Предстоит проделать еще большую работу, но это звучит как очень правдоподобное объяснение магнитных полей ледяных гигантов.
Во Вселенной есть множество способов генерировать магнитные поля, и все, что вам нужно, — это перемещение заряженных частиц. Нейтронные звезды обладают самыми сильными магнитными полями, причем самое сильное из обнаруженных магнитных полей составляет около 1 миллиарда Тесла, что примерно в квадриллион раз больше, чем у Земли. На самом деле нейтронные звезды с самыми мощными магнитными полями называются магнетарами. Если бы вы когда-нибудь приблизились к магнетару на расстояние менее 1000 км, поле было бы настолько мощным, что разорвало бы ваши ионы на части, разрушив вас на атомном уровне.
Магнитные поля могут быть нашими друзьями, когда они защищают нас от вредного излучения, или они могут убить нас мгновенно.
