Iskolde kæmpeplaneter i laboratoriet

Kæmpeplaneter som Uranus og Neptun kan indeholde meget mindre frit brint end tidligere antaget. Forskere fra det tyske Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) kørte chokbølger gennem to typer plastik for at nå de samme temperaturer og tryk, der findes inde i sådanne planeter, og observerede adfærden ved hjælp af ultrastærke røntgenlaserimpulser. Uventet, en af ​​disse plastik beholdt sin krystallinske struktur selv ved de mest ekstreme tryk, der blev nået. Da det iskolde gigantiske interiør består af de samme komponenter som plastik, planetmodeller skal muligvis genovervejes delvist, som rapporteret i journalen Videnskabelige rapporter .

Kulstof og brint er blandt de mest udbredte grundstoffer i universet, og er hovedbestanddele af iskolde kæmpeplaneter som Uranus og Neptun. I den ydre atmosfære, disse atomer findes i form af metangas, men dybere inde, højt tryk kan føre til mere komplekse kulbrintestrukturer. At forudsige de faser og strukturer, som materialet tager under disse forhold, er et af planetforskningens store spørgsmål.

For bedre at forstå strukturen af ​​isgiganterne, et internationalt hold ledet af de to HZDR-forskere, Dr. Nicholas Hartley og Dr. Dominik Kraus, undersøgt to typer plast i et laboratorieforsøg:polystyren og polyethylen. Disse materialer ligner i kemi kulbrinte inde i planeterne. På SLAC National Accelerator Laboratory i USA, forskerne udsatte prøverne for forhold, der forventes at være til stede omkring 10, 000 kilometer under overfladen af ​​Neptun og Uranus. I denne dybde, trykket er næsten lige så højt som i Jordens kerne og 2 millioner gange højere end det atmosfæriske tryk på jordens overflade.

At nå ekstremt høje tryk

Ved så høje tryk og temperaturer, den eneste mulige struktur, som forskerne forventede, var diamant, eller at prøverne ville blive smeltet. I stedet, de observerede stabile kulbrintestrukturer op til de højeste nåede tryk, men kun for polyethylenprøverne. "Vi var meget overraskede over dette resultat, " siger Hartley. "Vi forventede ikke, at den anderledes begyndelsestilstand ville gøre så stor en forskel under så ekstreme forhold. Det er først for nylig, med udviklingen af ​​lysere røntgenkilder, at vi er i stand til at studere disse materialer. Vi var de første til at tro, at det kunne være muligt - og det var det."

Da de ekstreme forhold inde i isgiganterne på Jorden kun kan nås i et kort øjeblik, forskerne har brug for lynhurtige målemetoder. Der er kun en håndfuld ultrahurtige røntgenlaserfaciliteter på verdensplan, og tid til målinger er sjælden og meget efterspurgt. Kraus og Hartley blev tildelt i alt tre 12-timers skift for deres eksperimenter, og skulle derfor bruge hvert minut til at udføre så mange målekørsler som muligt. At chokere prøven og sonden med røntgenlaseren tager kun et par milliardtedele af et sekund.

Selv under forsøgene, forskerne var i stand til at genkende de første resultater:"Vi var meget begejstrede, fordi som håbet, polystyren dannede diamantlignende strukturer af kulstof. For polyethylen, imidlertid, vi så ingen diamanter for de betingelser, vi nåede i dette eksperiment. I stedet, der var en ny struktur, som vi ikke kunne forklare i starten, " husker Hartley. Ved at sammenligne dataene med tidligere resultater ved lavere tryk, de identificerede det som en stabil struktur af polyethylen, som var blevet set ved fem gange lavere tryk, og kun ved omgivende temperaturer.

Opdagelsen demonstrerer vigtigheden af ​​bedre at karakterisere temperatur- og trykforholdene inde i isgiganter, og den kemi, som disse fører til, for at forstå deres struktur og fysiske egenskaber. Modeller af Uranus og Neptun antager, at disse planeters usædvanlige magnetfelter kan stamme fra frit brint, som disse resultater kunne antyde, er mindre almindeligt end forventet. I fremtiden, forskerne ønsker at bruge blandinger inklusive ilt for bedre at matche kemien inde i planeterne.