Bijna 40 jaar geleden, wetenschappers voorspelden eerst het bestaan ​​van heliumregen in planeten die voornamelijk uit waterstof en helium bestonden, zoals Jupiter en Saturnus. Echter, het was tot nu toe niet mogelijk om de experimentele omstandigheden te bereiken die nodig zijn om deze hypothese te valideren.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd door Natuur , wetenschappers onthullen experimenteel bewijs om deze al lang bestaande voorspelling te ondersteunen, waaruit blijkt dat heliumregen mogelijk is bij een reeks druk- en temperatuuromstandigheden die overeenkomen met die naar verwachting binnen deze planeten.

"We ontdekten dat heliumregen echt is, en kan zowel in Jupiter als Saturnus voorkomen, zei Marius Millot, een natuurkundige bij het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en co-auteur van de publicatie. "Dit is belangrijk om planetaire wetenschappers te helpen ontcijferen hoe deze planeten gevormd en geëvolueerd zijn, wat van cruciaal belang is om te begrijpen hoe het zonnestelsel is gevormd."

"Jupiter is vooral interessant omdat men denkt dat het heeft geholpen bij het beschermen van het gebied binnen de planeet waar de aarde is gevormd, " voegde Raymond Jeanloz toe, co-auteur en hoogleraar aard- en planetaire wetenschap en astronomie aan de Universiteit van Californië, Berkeley. 'Misschien zijn we hier vanwege Jupiter.'

Het internationale onderzoeksteam, waaronder wetenschappers van LLNL, de Franse commissie voor alternatieve energie en atoomenergie, de Universiteit van Rochester en de Universiteit van Californië, Berkeley, voerden hun experimenten uit aan de University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE).

"Het koppelen van statische compressie en lasergestuurde schokken is essentieel om ons in staat te stellen de omstandigheden te bereiken die vergelijkbaar zijn met het binnenste van Jupiter en Saturnus, maar het is erg uitdagend, "Zei Millot. "We moesten echt aan de techniek werken om overtuigend bewijs te verkrijgen. Het kostte vele jaren en veel creativiteit van het team."

Het team gebruikte diamanten aambeeldcellen om een ​​mengsel van waterstof en helium te comprimeren tot 4 gigapascal, (GPa; ongeveer 40, 000 keer de atmosfeer van de aarde). Vervolgens, de wetenschappers gebruikten 12 gigantische stralen van LLE's Omega Laser om sterke schokgolven te lanceren om het monster verder te comprimeren tot een einddruk van 60-180 GPa en het te verwarmen tot enkele duizenden graden. Een vergelijkbare benadering was de sleutel tot de ontdekking van superionisch waterijs.

Met behulp van een reeks ultrasnelle diagnostische hulpmiddelen, het team heeft de schoksnelheid gemeten, de optische reflectiviteit van het schokgecomprimeerde monster en de thermische emissie, vinden dat de reflectiviteit van het monster niet soepel toenam met toenemende schokdruk, zoals in de meeste monsters bestudeerden de onderzoekers met vergelijkbare metingen. In plaats daarvan, ze vonden discontinuïteiten in het waargenomen reflectiviteitssignaal, die aangeven dat de elektrische geleidbaarheid van het monster abrupt veranderde, een handtekening van het scheiden van helium en waterstofmengsel. In een in 2011 gepubliceerd artikel LLNL-wetenschappers Sebastien Hamel, Miguel Morales en Eric Schwegler stelden voor om veranderingen in de optische reflectiviteit te gebruiken als een sonde voor het ontmengingsproces.

"Onze experimenten onthullen experimenteel bewijs voor een langdurige voorspelling:er is een reeks van drukken en temperaturen waarbij dit mengsel onstabiel wordt en ontmengt, Millot zei. "Deze overgang vindt plaats bij druk- en temperatuuromstandigheden die dicht in de buurt komen van die welke nodig zijn om waterstof om te zetten in een metallische vloeistof, en het intuïtieve beeld is dat de metallisatie van waterstof de ontmenging in gang zet."

Het numeriek simuleren van dit ontmengingsproces is een uitdaging vanwege subtiele kwantumeffecten. Deze experimenten bieden een kritische benchmark voor theorie en numerieke simulaties. Vooruit kijken, het team zal de meting blijven verfijnen en uitbreiden naar andere composities in het voortdurende streven om ons begrip van materialen onder extreme omstandigheden te verbeteren.