Hvordan indsigt i superkritiske væsker kunne hjælpe os med at forstå det indre af de gigantiske gasplaneter

Temperaturen og trykket inde i Jupiter spænder fra omkring -100 ° C nær kanten til omkring 15, 000 ° C og 50m gange Jordens atmosfæriske tryk i midten. Saturn, Uranus og Neptun er lignende trykkogere. Når vi stiger ned i Jupiter, vi kan se materie i gastilstanden, i flydende tilstand og i en anden, mindre kendt stat, kaldet tilstanden "superkritisk væske".

At forstå superkritiske væsker er ikke kun vigtigt for planetforskere, det bruges også i industrielle processer såsom elproduktion og fødevareforarbejdning.

Når vi koger vand på jorden, det ændrer "fase" fra en væske til en gastilstand. Dette skyldes en pludselig dramatisk ændring i tætheden og andre egenskaber kaldet en "faseovergang". Imidlertid, hvis du pressede vand til 1, 000 gange atmosfærisk tryk og derefter opvarmet det, mens trykket blev holdt, du ville ikke længere observere kogning som sådan. Vandmolekylerne suser rundt med mere energi, og tætheden ville gradvist falde, men der ville ikke være nogen pludselig kogning (faseovergang). Det er det, der udgør den superkritiske væsketilstand - det er hverken en væske eller en gas.

Præcis hvordan væsker og superkritiske væsker opfører sig har fået forskere til at klø sig i hovedet i årtier. Men ny forskning har belyst dette problem, skaber håb om, at vi snart kan få en meget bedre forståelse af, hvad der foregår dybt inde i de gigantiske gasplaneter.

Forskere har længe antaget, at væsker og superkritiske væsker opfører sig som tætte gasser, med molekyler, der konstant bevæger sig frit rundt. Men i 1930’erne, den russiske fysiker Yakov Ilyich Frenkel satte spørgsmålstegn ved denne antagelse, foreslår, at de under visse betingelser i stedet ville opføre sig som faste stoffer (hvor atomer sidder fast), bortset fra at atomerne lejlighedsvis hopper fra sted til sted. Vi kan kalde væsker og superkritiske væsker under disse betingelser for "tætte væsker".

Ignoreret i årtier, denne tilgang har fået et andet liv i det sidste årti, da den med succes er blevet brugt til at forudsige væskers varmekapacitet. Varmekapacitet er en afgørende egenskab for væsker, bestemmelse af måden, hvorpå varme lagres og flyder rundt om planeter, kraftværker og alt derimellem.

En skillelinje ("Frenkel -linjen") bør derfor trækkes, op til vilkårligt høje tryk og temperaturer, mellem forhold, hvor tætte væsker opfører sig på samme måde som gasser, og betingelser, hvor Frenkels tilgang - forudsat lignende adfærd som faste stoffer - er gyldig. Men hvordan skal linjen defineres? Hvor pludselig er det? Disse spørgsmål skal løses ved forsøg.

Kraftfulde eksperimenter

Dette år, to banebrydende undersøgelser er blevet offentliggjort, hvor denne linje er kortlagt fra observationer. I den første undersøgelse, en af ​​de mest kraftfulde synkrotron lyskilder i verden (Advanced Photon Source i nærheden af ​​Chicago) blev brugt til at stramme trykket - 6, 500 gange Jordens atmosfære - hvor en af ​​de mest grundlæggende modeller væsker, superkritisk neon, begynder at opføre sig som en tæt væske som modelleret af Frenkel.

I den anden undersøgelse, data fra en anden kraftig røntgenkilde (European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble) blev kombineret med målinger i mit laboratorium i Manchester for at bestemme den måde, hvorpå atomerne i metanmolekyler vibrerer for at foretage en lignende observation. Vi fandt ud af, at metanen begynder at opføre sig som en tæt væske ved cirka 2, 000 atmosfæres tryk.

Vi fandt ud af, at et vigtigt bevis i puslespillet allerede var der i litteraturen, går tilbage til 1986; en demonstration af, at vibrationerne i gasformig metan opfører sig helt modsat til vibrationer, som vi er vant til at se i tætte væsker og faste stoffer. Dens betydning var simpelthen ikke blevet anerkendt.

Vores undersøgelse havde en ekstra bonus i forhold til neonundersøgelsen - metan er overalt i vores solsystem. Gasgiganterne Uranus og Neptun er fulde af det, og måske vil forståelse af metan besvare mange af de mysterier, disse planeter udgør. Planetforskere har mistet søvn i årtier over spørgsmål som hvordan sammensætningen ændrer sig, når du dykker ned i Uranus og Neptun, og om Uranus 'overflade virkelig er det koldeste sted i solsystemet.

Håbet er nu at anvende disse nye resultater på stoffets flydende og superkritiske flydende tilstande for at besvare disse og andre mangeårige mysterier.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.