Diamantregen? Super-ionisch water? Dat zijn slechts twee van de ideeën die planeetwetenschappers hebben bedacht voor wat er onder de dikke, blauwachtige atmosferen van de ijsreuzen Uranus en Neptunus ligt. Planeetwetenschapper Burkhard Militzer van de Universiteit van Californië in Berkeley stelt nu een alternatieve theorie voor: het binnenste van beide planeten bestaat uit lagen die zich – net als olie en water – niet vermengen. Deze configuratie verklaart de vreemde magnetische velden van de twee planeten en impliceert dat eerdere theorieën over hun inwendige waarschijnlijk niet kloppen (PNAS, 25 november).
Militzer stelt dat er een diepe oceaan van water net onder de wolkenlagen ligt, met daaronder een sterk samengeperst vloeibaar mengsel van koolstof, stikstof en waterstof. Computersimulaties laten zien dat bij de druk en temperatuur in het binnenste van beide planeten een combinatie van water, methaan en ammoniak zich op natuurlijke wijze in twee lagen zou scheiden, voornamelijk omdat de waterstof uit het methaan en de ammoniak wordt geperst die een groot deel van het diepe binnenste in beslag nemen.
Deze niet-mengbare lagen zouden verklaren waarom noch Uranus noch Neptunus een magnetisch veld heeft zoals dat van de aarde. Dat was een van de verrassende ontdekkingen over de beide ijsreuzen die de ruimtesonde Voyager 2 eind jaren 80 deed.
Als een planeet van buiten naar binnen afkoelt, zinkt koud, dichter materiaal omlaag, terwijl bellen van hetere vloeistof opstijgen – een proces dat convectie wordt genoemd. Wanneer het binnenste elektrisch geleidend is, zal een dikke laag converterend materiaal een magnetisch veld opwekken zoals dat van een staafmagneet. Op die manier is ook het magnetische veld van onze eigen planeet ontstaan.
Maar Voyager 2 ontdekte dat geen van beide ijsreuzen zo’n dipoolveld heeft, alleen ongeordende magnetische velden. Dit impliceert dat er geen convectie plaatsvindt in hun diepe inwendige.
Om deze waarnemingen te verklaren, stelden twee onderzoeksteams meer dan twintig jaar geleden voor dat zich lagen in het inwendige van Uranus en Neptunus bevinden die zich niet kunnen mengen, waardoor er geen convectie optreedt en er dus ook geen magnetisch veld kan ontstaan. Maar onduidelijk was waar deze niet-mengbare lagen dan uit zouden bestaan.
Tien jaar geleden probeerde Militzer dit probleem op te lossen met behulp van computersimulaties van ongeveer honderd atomen koolstof, zuurstof, stikstof en waterstof in de verhoudingen zoals die in het vroege zonnestelsel hebben bestaan. Maar bij de bekende druk en temperatuur in het binnenste van de ijsreuzen vormde zich daarbij geen gelaagde structuur. Vorig jaar is het hem echter gelukt om, met behulp van machine learning, simulaties met 540 atomen te maken, en tot zijn verbazing ontdekte hij dat de atomen bij verhitting en samenpersing op natuurlijke wijze lagen vormden.
Militzer voorspelt nu dat onder de vijfduizend kilometer dikke atmosfeer van Uranus een ongeveer achtduizend kilometer dikke, waterrijke laag ligt, met daaronder een koolstofrijke laag van eveneens achtduizend kilometer dik. Zijn rotsachtige kern zou ongeveer zo groot zijn als de planeet Mercurius. De getallen voor Neptunus zijn vergelijkbaar, maar zijn kern zou ongeveer zo groot zijn als Mars – iets groter dus dan die van Uranus. (EE)
A clue to what lies beneath the bland surfaces of Uranus and Neptune