De temperatuur en druk in Jupiter variëren van ongeveer -100°C aan de rand tot ongeveer 15, 000°C en 50m keer de atmosferische druk van de aarde in het midden. Saturnus, Uranus en Neptunus zijn vergelijkbare snelkookpannen. Als we afdalen naar Jupiter, we kunnen materie in de gastoestand zien, in vloeibare toestand en in een andere, minder bekende staat, genaamd de "superkritische vloeistof" staat.

Het begrijpen van superkritische vloeistoffen is niet alleen belangrijk voor planetaire wetenschappers, het wordt ook gebruikt in industriële processen zoals energieopwekking en voedselverwerking.

Als we water op aarde koken, het verandert van "fase" van een vloeibare naar een gastoestand. Dit komt door een plotselinge dramatische verandering in de dichtheid en andere eigenschappen die een "faseovergang" worden genoemd. Echter, als je water tot 1 hebt geperst 000 keer atmosferische druk en verwarmt het dan terwijl je de druk aanhoudt, je zou het koken als zodanig niet meer waarnemen. De watermoleculen zouden rondsuizen met meer energie, en de dichtheid zou geleidelijk afnemen, maar er zou geen plotseling koken (faseovergang) zijn. Dit is wat de superkritische vloeibare toestand vormt - het is noch een vloeistof, noch een gas.

Precies hoe vloeistoffen en superkritische vloeistoffen zich gedragen, heeft ervoor gezorgd dat wetenschappers decennialang achter hun oren krabben. Maar nieuw onderzoek heeft licht geworpen op dit probleem, de hoop wekken dat we binnenkort een veel beter begrip kunnen krijgen van wat er zich diep in de gigantische gasplaneten afspeelt.

Wetenschappers hebben lang aangenomen dat vloeistoffen en superkritische vloeistoffen zich gedragen als dichte gassen, met moleculen die constant vrij rondlopen. Maar in de jaren dertig de Russische natuurkundige Yakov Iljitsj Frenkel trok deze veronderstelling in twijfel, stellen voor dat ze zich onder bepaalde omstandigheden in plaats daarvan zouden gedragen als vaste stoffen (waar atomen vastzitten), behalve dat de atomen af ​​en toe van plaats naar plaats springen. We kunnen vloeistoffen en superkritische vloeistoffen onder deze omstandigheden "dichte vloeistoffen" noemen.

Decennialang genegeerd, deze benadering heeft het afgelopen decennium een ​​tweede leven gekregen, omdat het met succes is gebruikt om de warmtecapaciteit van vloeistoffen te voorspellen. Warmtecapaciteit is een cruciale eigenschap van vloeistoffen, het bepalen van de manier waarop warmte wordt opgeslagen en rond planeten stroomt, elektriciteitscentrales en alles daartussenin.

Er moet daarom een ​​scheidslijn (de "Frenkel-lijn") worden getrokken, tot willekeurig hoge drukken en temperaturen, tussen omstandigheden waarin dichte vloeistoffen zich op dezelfde manier gedragen als gassen, en omstandigheden waarin de benadering van Frenkel - uitgaande van soortgelijk gedrag als vaste stoffen - geldig is. Maar hoe moet de lijn worden gedefinieerd? Hoe plotseling is het? Deze vragen moeten worden beantwoord door experimenten.

Krachtige experimenten

Dit jaar, er zijn twee grensverleggende onderzoeken gepubliceerd waarin deze lijn uit waarnemingen in kaart is gebracht. In de eerste studie, een van de krachtigste synchrotron-lichtbronnen ter wereld (de Advanced Photon Source in de buurt van Chicago) werd gebruikt om de druk vast te stellen - 6, 500 keer de atmosfeer van de aarde – waarbij een van de meest fundamentele modelvloeistoffen, superkritisch neon, begint zich te gedragen als een dichte vloeistof zoals gemodelleerd door Frenkel.

In de tweede studie gegevens van een andere krachtige röntgenbron (de European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble) werden gecombineerd met metingen in mijn laboratorium in Manchester om de manier te bepalen waarop de atomen in methaanmoleculen trillen om een ​​soortgelijke waarneming te doen. We ontdekten dat het methaan zich begint te gedragen als een dichte vloeistof bij ongeveer 2, 000 atmosfeer druk.

We ontdekten dat één belangrijk bewijsstuk in de puzzel al in de literatuur aanwezig was, daterend uit 1986; een demonstratie dat de trillingen in gasvormig methaan zich volledig tegengesteld gedragen aan trillingen die we gewend zijn te zien in dichte vloeistoffen en vaste stoffen. Het belang ervan werd eenvoudigweg niet erkend.

Onze studie had een extra bonus in vergelijking met de neonstudie - methaan is overal in ons zonnestelsel. De gasreuzen Uranus en Neptunus staan ​​er vol mee, en misschien zal het begrijpen van methaan veel van de mysteries van deze planeten beantwoorden. Planetaire wetenschappers slapen al tientallen jaren niet meer vanwege vragen zoals hoe de samenstelling verandert als je in Uranus en Neptunus duikt en of het oppervlak van Uranus echt de koudste plek in het zonnestelsel is.

De hoop is nu om deze nieuwe resultaten toe te passen op de vloeibare en superkritische vloeistoftoestanden van materie om deze en andere lang bestaande mysteries te beantwoorden.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.