Güneş Sistemindeki gezegenler, bileşimlerine göre genellikle üç kategoriye ayrılır: dört karasal kayalık gezegen (Merkür, Venüs, Dünya ve Mars), ardından iki gaz devi (Jüpiter ve Satürn) ve son olarak iki buz devi (Uranüs ve Neptün). Teknik olarak gaz devleri olmalarına rağmen, Uranüs ve Neptün, bileşimleri nedeniyle “buz devleri” olarak adlandırılır. Bu, Uranüs ve Neptün'ün daha büyük muadillerine (Jüpiter ve Satürn) göre daha fazla metan, su ve diğer uçucu maddelere sahip olduğu gerçeğine işaret eder. Gezegenlerin iç kısımlarındaki basınç koşulları göz önüne alındığında bu elementler katı hale, esasen “buz” haline gelir.

Ancak Zürih Üniversitesi (UZH) ve Ulusal Araştırma Yetkinlik Merkezi (NCCR) PlanetS'in yeni araştırması, bu gezegenlerin iç bölgeleri hakkındaki bilgimizi sorguluyor. Uranüs ve Neptün'ün çekirdekleri daha kayalık ve önceden düşünülenden daha az “buzlu” olabilir. Ayrıca araştırmaları, iç kısımlarında maddenin sabit kalmak yerine (Dünya'da tektonik aktiviteyle olduğu gibi) döngüsel hareketler yaşadığını gösteriyor. Araştırmacılar, bu olasılıkların “buz devleri”nin daha gizemli özelliklerinin bazılarını açıklayabileceğini belirtiyor.

Yeni çalışma, iki mavi gezegenin su veya kaya açısından zengin olduğunu iddia etmekten daha çok buz açısından zengin olmasının tek olasılık olup olmadığını sorguluyor. Bu yorum, iç bileşimleri için en uygun olanın buz (ağırlıklı olarak su) ile sınırlı olmadığını, bunun yerine ağırlıklı olarak kayadan oluşabileceğini gösterdi. Bu sonuçlar, Plüton'un bileşiminin kütle olarak yaklaşık %70 kaya ve metal ve %30 sudan oluştuğunu gösteren Hubble Uzay Teleskobu ve New Horizons misyonunun bulguları ile tutarlılık göstermektedir.

Ekip, Uranüs ve Neptün'ün iç kısımları için benzersiz bir simülasyon yöntemi geliştirdi: İç yapı modelleri, başlangıçta rastgele oluşturulmuş yoğunluk profilleri ile başlatıldı ardından bu profiller hidrostatik denge, ölçülen yerçekimi momentleri (gezegenlerin Dünya’dan ölçülen gravitasyonel verileri) ve termodinamik tutarlılık gibi kriterlere göre iteratif olarak optimize edilir. Böylece olası iç yapılar gözlemsel verilerle uyumlu hale getirilir. Model çıktıları, Uranüs ve Neptün için çok çeşitli iç bileşimleri ortaya koyar:

  • Uranüs için: Kaya-su oranı ~0.04-3.92, yani hem çok su-ağırlıklı hem de kaya-ağırlıklı çözümler mümkün.
  • Neptün için: Kaya-su oranı ~0.20-1.78, su ve kaya içerikleri çeşitlilik gösterir. Örnek senaryolar incelendiğinde Uranüs’ün yoğunluk profilleri arasından seçilen bir modelde, bazı iç yapı modellerinde, Uranüs’ün dış katmanlarının büyük ölçüde konvektif, iç bölgelerinin ise kısmen stabil olabileceği görülmektedir. Su-kaya oranı değişkendir. Yani bu modelde yüzeyden derine gittikçe yoğunluk ve kaya oranını artmaktadır. Bu tür profile dayanarak manyetik alanın derin bölgeden kaynaklanması ve sıcaklık-basınç koşullarında iyonik su tutulması daha olası hale gelir.

Diğer bir senaryoda ise Neptün’ün yoğunluk profilleri arasından seçilen bir modelde daha geniş bir konvektif tabaka ve daha yüksek su içeriği gözlemlenebilir. Bu daha yüzey-yakın bir dynamo bölgesi anlamına gelir ve Neptün’ün manyetik alanının farklı karakterini açıklamaya yardımcı olabilir.

Yapılan simülasyonlarda Uranüs ve Neptün için çıkarılan kütle kompozisyonları doğal olarak bu modelde de belirsizlikler vardır ve bu da gelecekteki görevlerin “buz devlerini” daha ayrıntılı olarak araştırması gerektiğini vurgulamaktadır. Bu arada, yeni sonuçlar yeni senaryolar sunmakta ve dev gezegenlerin iç yapısı ile ilgili onlarca yıllık varsayımları sorgulamaktadır. Ayrıca gezegen koşulları ve maddenin aşırı koşullar altında nasıl davrandığı ile ilgili gelecekteki malzeme bilimi çalışmalarına da rehberlik edebilirler.

Araştırmaya ilişkin Zürih Üniversitesinde doktora öğrencisi ve çalışmanın baş yazarı olan Luca Morf şu açıklamada bulundu: Uranüs ve Neptün halen yeterince anlaşılmadığından, buz devi sınıflandırması fazla basitleştirilmiştir. Fiziğe dayalı modeller çok fazla varsayıma dayanırken, ampirik modeller ise fazla basitleştirilmiştir. Her iki yaklaşımı birleştirerek, hem “agnostik” hem de önyargısız, ancak fiziksel olarak tutarlı iç modeller elde ettik. Bunu yapmak üzere, önce gezegenin iç kısmı için rastgele bir yoğunluk profili oluşturdular. Ardından, gözlem verileriyle tutarlı gezegenin yerçekimi alanını hesapladılar ve olası bir bileşimi çıkardılar. Son olarak, modeller ile gözlem verileri arasında mümkün olan en iyi eşleşmeyi elde etmek için süreç tekrarlanmıştır.

Zürih Üniversitesi ekibi, yeni agnostik ve yine de tamamen fiziksel modelleriyle güneş sistemimizdeki “buz devleri”nin potansiyel iç bileşimlerinin sadece buzla (genellikle suyla temsil edilir) sınırlı olmadığını keşfetti. Çalışma ayrıca Uranüs ve Neptün'ün gizemli manyetik alanlarına yeni bakış açıları getiriyor. Dünya'nın kuzey ve güney manyetik kutupları belirginken Uranüs ve Neptün'ün manyetik alanları daha karmaşık ve iki kutuptan fazlasına sahiptir. Bu projeyi başlatan Zürih Üniversitesinden Profesör Ravit Helled ise şöyle açıklıyor: Modellerimizde, gözlemlenen non-dipolar manyetik alanları açıklayan yerlerde manyetik dinamolar üreten ‘iyonik su’ katmanları bulunmaktadır. Ayrıca Uranüs'ün manyetik alanının Neptün'ünkinden daha derinde oluştuğunu da keşfettik. Model varsayımlarına bağlı olarak hem Uranüs hem de Neptün kaya devleri veya buz devleri olabilir. Mevcut veriler ikisini ayırt etmek için yetersiz olduğundan, gerçek doğalarını ortaya çıkarabilecek Uranüs ve Neptün'e özel görevlere ihtiyacımız var. Bu çalışma, Uranüs ve Neptün’ün iç yapılarının klasik “buz devi” tanımının öngördüğünden çok daha çeşitli ve belirsiz olabileceğini ortaya koyarken bilimin kümülatif doğasını da açık biçimde yansıtmaktadır. Önceki modeller belirli varsayımlar üzerine inşa edilmişken yeni gözlemler ve daha esnek yöntemler bu yerleşik yargıların sorgulanmasını mümkün kılmıştır. Böylece “buz ağırlıklı gezegen” gibi uzun süre kabul görmüş kavramsal çerçeveler kırılmakta yerini kaya-zengin, su-zengin ya da karma bileşimleri de içeren daha geniş ve gerçekçi senaryolara bırakmaktadır. Bu süreç, bilimin kesin doğrular üretmekten ziyade, yeni veriler ışığında kendini sürekli güncelleyen ve önceki kabulleri dönüştürebilen bir bilgi birikimi olduğunu göstermektedir. Uranüs ve Neptün örneğinde olduğu gibi, her yeni model ve ölçüm, evreni anlama biçimimizi biraz daha derinleştirirken, aynı zamanda eski sınırların aşılmasına olanak tanımaktadır.