معمای لرزهای حل شد: دانشمندان حالت جدیدی از ماده را در مرکز زمین کشف کردند
پژوهشگران چینی کشف کردهاند که کربن بینابینی در آلیاژهای آهن‑کربن، تحت شرایط فشار و دمای هستهٔ زمین، حالت سوپریونی شبیه مایع را بهنماید.
در زیر هستهٔ خارجی مایع زمین، ناحیهای جامد بهنام هستهٔ داخلی قرار دارد؛ یک کرهٔ فشرده ساختهشده از آلیاژ آهن‑عناصر سبک که تحت فشار بیش از ۳٫۳ میلیون اتمسفر فشار داده شده و به دماهایی نزدیک به سطح خورشید گرم میشود.
سالها محققان برای توضیح رفتار غیرمعمول آن دست و پا دراز کردند: اگرچه این ماده جامد است، اما شبیه فلزی بسیار نرم عمل میکند؛ سرعت امواج برشی لرزهای را کاهش میدهد و نسبت پواسون آن بهگونهای است که شبیه کره (چرب) است تا فولاد. این مسأله سؤال دیرینهای را برانگیخته است که چگونه مرکز جامد سیاره میتواند هم سفت و هم بهطور شگفتانگیزی انعطافپذیر باشد.
یک مطالعهٔ مهم که در National Science Review منتشر شده است، اکنون توضیح قویای ارائه میدهد. دانشمندان دریافتهاند که هستهٔ داخلی زمین رفتار یک جامد معمولی ندارد؛ در عوض، در وضعیت سوپریونی قرار دارد که در آن عناصر سبک از طریق یک شبکهٔ سفت آهن با قابلیت حرکت شبیه مایع عبور میکنند. این کشف، دیدگاه علمی نسبت به آنچه در اعماق سیاره رخ میدهد را بهطور اساسی بازنگری میکند.
تیم پژوهشی به رهبری پروفسور یوجون ژانگ و دکتر یوقیان هوآنگ از دانشگاه سچوان و پروفسور یو هه از مؤسسه ژئوشیمی، آکادمی علوم چین، نشان داد که آلیاژهای آهن‑کربن تحت فشار و دمای شدید به فاز سوپریونی تغییر میکنند. در این حالت، اتمهای کربن به سرعت از چارچوب بلوری آهن جامد عبور میکنند و سفتی آن را بهطرز چشمگیری کاهش میدهند.
«برای اولین بار نشان دادیم که آلیاژ آهن‑کربن تحت شرایط هستهٔ داخلی، سرعت برشی بهطور چشمگیر پایین دارد» پروفسور ژانگ گفت. «در این وضعیت، اتمهای کربن بهطرز فوقالعادهای پرتحرک میشوند و همانند کودکانی که در رقص چله میچرخند، از چارچوب بلوری آهن عبور میکنند، در حالی که خود آهن جامد و منظم باقی میماند. این فاز «سوپریونی» بهصورت قابلتوجهی سفتی آلیاژ را کاهش میدهد.»
از نظریه تا آزمایش
اگرچه مدلهای رایانهای در سال ۲۰۲۲ به وجود چنین وضعیتی اشاره کرده بودند، شواهد تجربی مستقیم تا کنون دور از دسترس باقی مانده بود — تا این لحظه. با بهرهگیری از یک سکوی فشردهسازی دینامیک شوک، تیم نمونههای آهن‑کربن را به سرعت ۷ کیلومتری بر ثانیه شتاب داد و فشارهایی تا ۱۴۰ گیگاپاسکال و دماهایی نزدیک به ۲۶۰۰ کلوین ایجاد کرد — شرایطی که مشابه هستهٔ داخلی زمین هستند.
با ترکیب اندازهگیریهای لحظهای سرعت صدا با شبیهسازیهای پیشرفته دینامیک مولکولی، دانشمندان کاهش ناگهانی سرعت امواج برشی و افزایش ناگهانی نسبت پواسون را مشاهده کردند — که با سیگنالهای لرزهای «نرم» شناساییشده در عمق زمین مطابقت دارد. در مقیاس اتمی، نتایج نشان داد که اتمهای کربن بهصورت آزاد از شبکهٔ آهن عبور میکنند و سفتی آن را بدون از بین بردن ساختارش تضعیف مینمایند.
هسته پویا با تأثیر جهانی
مدل سوپریونی نه تنها ویژگیهای لرزهای معمایی هسته را توضیح میدهد، بلکه افقهای جدیدی برای دینامیک داخلی زمین میگشاید. حرکت عناصر سبک میتواند به تبیین ناهمگونی لرزهای — تغییرات سرعت امواج بسته به جهت — کمک کند و حتی ممکن است بر میدان مغناطیسی زمین تأثیر بگذارد.
«پراش اتمی درون هستهٔ داخلی منبع انرژیای است که پیشتر نادیده گرفته شده بود برای ژئودینامیک»، دکتر هوآنگ گفت. «علاوه بر حرارت و همرفت ترکیبی، حرکت شبیه مایع عناصر سبک میتواند به تأمین نیروی موتور مغناطیسی زمین کمک کند.»
این نتایج همچنین بحثهای دیرینه دربارهٔ رفتار عناصر سبک تحت فشارهای بسیار بالا را حل میکنند. مطالعات پیشین بر ترکیبات یا آلیاژهای جانشین متمرکز بودند، اما این پژوهش نقش مهم حلولهای جامد بینابینی — بهویژه آنهایی که شامل کربن میشوند — را در تعیین ویژگیهای هسته برجسته میسازد.
بازنگری قلب سیاره
به گفتهٔ پروفسور ژانگ، این کشف نشاندهندهٔ تغییر در نگرش دانشمندان نسبت به مرکز زمین است. «ما از مدل ایستا و سفت هستهٔ داخلی به سوی مدلی پویا حرکت میکنیم»، او توضیح داد.
فراتر از زمین، کشف فاز سوپریونی میتواند به روشن شدن تکامل مغناطیسی و حرارتی سایر سیارات سنگی و سیارات فراخورشیدی کمک کند. همانطور که ژانگ اشاره میکند، «درک این وضعیت مخفی ماده ما را یک گام به نزدیکی به رمزگشایی از اسرار داخلی سیارات شبیه به زمین نزدیکتر میکند.»
مرجع: «شواهد تجربی برای آلیاژ Fe–C سوپریونی آشکار شده توسط نرم شدن برشی در هستهٔ داخلی زمین» توسط یوکیان هوآنگ، یو هه، یوجون ژانگ، جُن لی، لانگ هاو، بو گان، گانگ جیانگ، چیانگ وو و هو‑کوآنگ مائو، ۲۶ سپتامبر ۲۰۲۵، National Science Review.
DOI: 10.1093/nsr/nwaf419
این پژوهش توسط بنیاد ملی علوم چین، برنامهٔ علم و فناوری سیچوان، و تیم بینرشتهای جوانان آکادمی علوم چین (CAS) تأمین مالی شد.
هرگز یک پیشرفت را از دست ندهید: در خبرنامهٔ SciTechDaily عضو شوید.
ما را در گوگل و Google News دنبال کنید.