实验验证了木星和土星内部存在氦气雨的可能性

近40年前,科学家们首次预测在主要由氢和氦组成的行星内存在氦气雨,如木星和土星。然而,实现验证这一假设所需的实验条件却显示一直是不可能的 – 直到现在。在《自然》杂志2021年5月26日发表的一篇论文中,科学家们揭示了支持这一长期预测的实验证据,表明在一定范围的压力和温度条件下,氦雨是可能的,这些条件反映了预计在这些行星内发生的情况。

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劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的物理学家和该出版物的共同作者Marius Millot说:"我们发现氦气雨是真实的,并且可以在木星和土星中发生。这对于帮助行星科学家破译这些行星是如何形成和演变的非常重要,这对于理解太阳系是如何形成的至关重要。"

"木星特别有趣,因为它被认为帮助保护了地球形成的行星内部区域,"共同作者、加利福尼亚大学伯克利分校地球和行星科学及天文学教授Raymond Jeanloz补充说。"我们可能是因为木星而在这里。"

这个国际研究小组包括来自LLNL、法国替代能源和原子能委员会、罗切斯特大学和加州大学伯克利分校的科学家,他们在罗切斯特大学的激光能量学实验室(LLE)进行实验。

"将静态压缩和激光驱动的冲击耦合在一起,是让我们达到与木星和土星内部相当的条件的关键,但它非常具有挑战性,"Millot说。"我们真的不得不在技术上下功夫,以获得令人信服的证据。这花了很多年时间,也花了团队很多的创造力"。

该团队使用钻石砧板单元将氢和氦的混合物压缩到4千兆帕,(GPa;约为地球大气的4万倍)。然后,科学家们使用LLE的欧米茄激光器的12个巨大光束来发射强烈的冲击波,进一步将样品压缩到60-180GPa的最终压力,并将其加热到几千度。一个类似的方法是发现超离子水冰的关键。

使用一系列超快诊断工具,研究小组测量了冲击速度、冲击压缩样品的光学反射率及其热辐射,发现样品的反射率并没有像研究人员用类似测量方法研究的大多数样品那样,随着冲击压力的增加而平滑增加。相反,他们在观察到的反射率信号中发现了不连续现象,这表明样品的电导率正在突然变化,这是氦和氢混合物分离的一个标志。在2011年发表的一篇论文中,LLNL的科学家Sebastien Hamel、Miguel Morales和Eric Schwegler建议使用光学反射率的变化作为脱混过程的探测器。

"我们的实验为一个长期存在的预测揭示了实验证据。有一个压力和温度的范围,在这个范围内,这种混合物变得不稳定并脱混," Millot说。"这种转变发生在接近将氢气转化为金属流体所需的压力和温度条件下,直观的情况是,氢气金属化引发了脱混。"

由于微妙的量子效应,数字模拟这种脱混过程是具有挑战性的。这些实验为理论和数值模拟提供了一个关键的基准。展望未来,该团队将继续完善测量,并将其扩展到其他成分,继续追求提高我们对极端条件下材料的理解。

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