Giải mã bí ẩn kỳ lạ trên sao Thiên Vương và sao Hải Vương

Một trong những điều kỳ lạ nhất về sao Thiên Vương và sao Hải Vương là từ trường của chúng.

Mỗi hành tinh này đều có một khối từ quyển hoạt động mạnh, lệch tâm và nghiêng lệch khỏi trục quay theo cách chưa từng thấy ở bất kỳ hành tinh nào khác.

Trước giờ, chúng ta không hoàn toàn hiểu rõ tại sao lại như vậy. Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Trung Quốc và Nga giúp chúng ta tìm được một mảnh ghép mới: một dạng nước bị ion hóa, thực sự kỳ lạ được gọi là aquodiium có thể tồn tại sâu bên trong áp suất cực cao của hành tinh băng.

Aquodiium bao gồm một phân tử nước bình thường có thêm hai proton, mang lại cho nó điện tích dương. Khi có số lượng đủ lớn, chúng có thể tạo ra từ trường hành tinh giống như từ trường của sao Thiên Vương và sao Hải Vương.

Từ trường hành tinh mở rộng ra không gian xung quanh các hành tinh tạo ra chúng. Tuy nhiên, chúng được tạo ra ở sâu bên trong hành tinh bằng các điện tích chuyển động, mặc dù cơ chế chính xác có thể khác nhau.

Từ trường của Trái đất, sao Thổ, sao Mộc, sao Thiên Vương, sao Hải Vương

Ở Trái đất, hợp kim sắt-niken chảy quanh lõi, quay, đối lưu và dẫn điện, chuyển đổi tất cả động năng đó thành dòng điện tử giống như trong một máy phát điện khổng lồ trong lòng đất. Đối với sao Mộc và sao Thổ, các nhà khoa học cho rằng chính hydro dưới áp lực rất lớn của lực hấp dẫn đã trở thành kim loại tạo ra từ trường.

Trái đất, sao Mộc và sao Thổ có từ trường tương đối gọn gàng giống như từ trường của một thanh nam châm khổng lồ chạy dọc theo trục quay của hành tinh, các đường sức từ của nó tạo hình giống như một cái lồng nối liền cực bắc và cực nam.

Ngược lại, các cực từ của sao Thiên Vương và sao Hải Vương lần lượt nghiêng 59 và 47 độ so với trục quay của chúng và các đường sức từ liên tục biến đổi và dịch chuyển. Và chúng không thực sự tập trung vào lõi của hành tinh như Trái đất và hai hành tinh khí.

Một lời giải thích khả dĩ là từ trường có thể được tạo ra bởi một chất lỏng dẫn ion, trong đó các ion là chất mang điện chứ không phải chất lỏng đóng vai trò là ống dẫn cho các electron.

Nhà nghiên cứu vật lý, hóa học Artem Oganov thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo ở Nga giải thích: “Hydro bao quanh lõi đá của sao Mộc ở điều kiện áp suất cao là một dạng kim loại lỏng: Nó có thể chảy, giống như cách sắt nóng chảy trong lòng Trái đất chảy và độ dẫn điện của nó là do các electron tự do được chia sẻ bởi tất cả các nguyên tử hydro bị ép lại với nhau.Ở sao Thiên Vương, chúng tôi nghĩ rằng bản thân các ion hydro hay proton là chất mang điện tích tự do”.

Câu hỏi đặt ra là ion nào? Một số, như amoni, là những khả năng hiển nhiên. Nhưng liệu các phân tử nước của các hành tinh có thể đóng vai trò quan trọng hơn trong quá trình này không?

Một nhóm các nhà nghiên cứu do nhà vật lý Jingyu Hou thuộc Đại học Nankai (Trung Quốc) dẫn đầu, đã quay trở lại các nguyên tắc đầu tiên kết hợp với các mô hình về cách các phân tử có thể tiến hóa, đi sâu vào một khái niệm gọi là lai hóa học.

Đây là khi các phần tử quỹ đạo của một nguyên tử được trộn lẫn hoặc kết hợp để tạo ra một nguyên tử có thể liên kết theo những cách mới. Có nhiều kiểu lai khác nhau, nhưng kiểu lai có liên quan ở đây là lai sp3, trong đó bốn quỹ đạo tạo thành một sự sắp xếp tứ diện xung quanh nhân trung tâm.

Biểu diễn cấu tạo của phân tử nước, hydronium và aquodiium

Mỗi điểm trong số bốn điểm của tứ diện có một electron đơn độc có khả năng liên kết với một nguyên tử khác hoặc một cặp electron không thể tạo liên kết với các nguyên tử khác.

Oxy có hai electron đơn và hai cặp electron ở lớp vỏ ngoài. Nếu bạn gắn một nguyên tử hydro vào mỗi electron hóa trị có sẵn, bạn sẽ thu được H2O – nước.

Đôi khi hydro không có electron – chỉ có hạt nhân là 1 proton – sẽ gắn vào một trong các cặp electron để tạo thành một phân tử gọi là ion hydronium.

Nhà vật lý Xiao Dong thuộc Đại học Nankai phân tích: “Câu hỏi đặt ra là: Bạn có thể thêm một proton nữa vào ion hydronium để lấp đầy phần còn thiếu không? Cấu hình như vậy ở điều kiện bình thường rất bất lợi về mặt năng lượng, nhưng các tính toán của chúng tôi cho thấy có hai điều kiện có thể khiến điều đó xảy ra”.

“Đầu tiên, áp suất rất cao buộc vật chất phải giảm thể tích của nó và việc chia sẻ cặp electron oxy chưa được sử dụng trước đó với ion hydro (proton) là một cách làm gọn gàng: giống như liên kết cộng hóa trị với hydro, ngoại trừ cả hai electron trong cặp đến từ nguyên tử oxy. Thứ hai, bạn cần rất nhiều proton có sẵn để tạo môi trường axit, bởi vì tác dụng của môi trường axit là cho proton”.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành mô hình hóa tính toán và trong những điều kiện tương tự như những điều kiện được cho là tồn tại bên trong sao Thiên Vương và sao Hải Vương, đây là điều đã xảy ra. Ở nhiệt độ khoảng 3.000 độ C và áp suất 1,5 triệu atm, proton gắn vào hydronium để tạo thành H ₄O – aquodiium.

Tất nhiên, phỏng đoán vẫn chỉ là lý thuyết. Sẽ cần có những quan sát chi tiết hơn về hai hành tinh ngoài cùng hệ Mặt trời để nghiên cứu thêm về khả năng này; nhưng những phát hiện này cho chúng ta một cách mới để hiểu những thứ kỳ quặc ở hai hành tinh màu xanh lam là sao Thiên Vương và sao Hải Vương.