En ny måde at studere, hvordan grundstoffer blandes dybt inde i gigantiske planeter

Der er giganter blandt os - gas- og isgiganter for at være specifikke. De kredser om den samme stjerne, men deres miljøforhold og kemiske sammensætning er meget anderledes end Jordens. Disse enorme planeter - Jupiter, Saturn, Neptun og Uranus - kan ses som naturlige laboratorier for stoffets fysik ved ekstreme temperaturer og tryk.

Nu, et internationalt hold, der omfatter forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, har udviklet et nyt eksperimentelt setup til at måle, hvordan kemiske elementer opfører sig og blander sig dybt inde i iskolde giganter, som kunne give indsigt i dannelsen og udviklingen af ​​planetsystemer. Det, de lærer, kan også vejlede videnskabsmænd, der håber på at udnytte kernefusion, som frembringer forhold, der ligner dem i vores sol, som en ny energikilde. Deres resultater blev offentliggjort i sidste uge i Naturkommunikation .

Blander det sammen

I tidligere forsøg, forskere brugte SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser til at få det første detaljerede kig på skabelsen af ​​"varmt tæt stof, "en superhot, superkomprimeret blanding, der menes at være i hjertet af disse enorme planeter. De var også i stand til at indsamle beviser for "diamantregn, "en eksotisk nedbør forudsagt at dannes fra blandinger af elementer dybt inde i iskolde giganter.

Indtil nu, forskere brugte en teknik kaldet røntgendiffraktion til at studere dette, tager en række snapshots af, hvordan prøver reagerer på laserproducerede chokbølger, der efterligner de ekstreme forhold, der findes på andre planeter. Denne teknik fungerer godt for krystalprøver, men er mindre effektiv til ikke-krystalprøver, hvis molekyler og atomer er arrangeret mere tilfældigt, hvilket begrænser dybden af ​​forståelse forskerne kan nå. I dette nye blad, holdet brugte en teknik kaldet X-ray Thomson scattering, der præcist gengiver tidligere diffraktionsresultater, samtidig med at de tillader dem at studere, hvordan elementer blandes i ikke-krystalprøver under ekstreme forhold.

"Denne forskning giver data om et fænomen, der er meget vanskeligt at modellere beregningsmæssigt:'blandbarheden' af to elementer, eller hvordan de kombineres, når de blandes, " siger LCLS-direktør Mike Dunne. "Her ser de, hvordan to elementer adskilles, som at få mayonnaise til at skille tilbage i olie og eddike. Det, de lærer, kan give indsigt i en vigtig måde, hvorpå fusion mislykkes, hvor den inaktive skal af en kapsel blander sig med fusionsbrændstoffet og forurener det, så det ikke brænder."

10, 000 kilometer dyb

I dette seneste eksperiment, optiske laserstråler lancerede en chokbølge i en plastikprøve bestående af kulstof og brint. Da chokbølgen bevægede sig gennem materialet, forskerne observerede det ved at ramme de chokerede områder med røntgenfotoner fra LCLS, der spredte elektroner i prøven både bagud og fremad.

"Et sæt spredte fotoner afslørede de ekstreme temperaturer og tryk nået i prøven, som efterligner de fundne 10, 000 kilometer under overfladen af ​​Uranus og Neptun, " siger SLAC-forsker og medforfatter Eric Galtier. "Den anden afslørede, hvordan brint- og kulstofatomerne adskilte som reaktion på disse forhold."

Går dybere

Forskerne håber, at teknikken vil give dem mulighed for at måle den mikroskopiske blanding af materialer, der bruges i fusionseksperimenter som helhed, højenergilasere såsom National Ignition Facility ved DOE's Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

"Vi ønsker at forstå, om denne proces kunne forekomme i inerti indeslutning fusion implosioner med plastik ablator kapsler, da det ville generere udsving, der kunne vokse og forringe implosionsydelsen, " sagde Tilo Doeppner, LLNL fysiker og medforfatter på papiret.

At følge op på, holdet planlægger at genskabe endnu mere ekstreme forhold, der findes dybere inde i iskolde giganter, og at studere prøver, der indeholder andre elementer for at forstå, hvad der sker på andre planeter.

"Denne teknik vil give os mulighed for at måle interessante processer, som ellers er svære at genskabe, " siger Dominik Kraus, en videnskabsmand ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, der ledede undersøgelsen. "For eksempel, vi vil være i stand til at se, hvordan brint og helium, elementer fundet i det indre af gasgiganter som Jupiter og Saturn, blandes og adskilles under disse ekstreme forhold. Det er en ny måde at studere den evolutionære historie af planeter og planetsystemer, samt støtte til eksperimenter mod potentielle fremtidige energiformer fra fusion."