Er zijn reuzen onder ons - gas- en ijsreuzen om precies te zijn. Ze draaien om dezelfde ster, maar hun omgevingsomstandigheden en chemische samenstelling zijn enorm verschillend van die van de aarde. Deze enorme planeten - Jupiter, Saturnus, Neptunus en Uranus kunnen worden gezien als natuurlijke laboratoria voor de fysica van materie bij extreme temperaturen en drukken.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team met wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy heeft een nieuwe experimentele opstelling ontwikkeld om te meten hoe chemische elementen zich gedragen en diep in ijsreuzen mengen, die inzicht zou kunnen bieden in de vorming en evolutie van planetaire systemen. Wat ze leren, kan ook leiden tot wetenschappers die hopen kernfusie te benutten, die omstandigheden produceert die vergelijkbaar zijn met die in onze zon, als nieuwe energiebron. Hun resultaten werden vorige week gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Het door elkaar halen

Bij eerdere experimenten is onderzoekers gebruikten SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser om de eerste gedetailleerde kijk te krijgen op de creatie van "warme dichte materie, "een superhete, supergecomprimeerd mengsel waarvan wordt aangenomen dat het de kern vormt van deze enorme planeten. Ze waren ook in staat om bewijs te verzamelen voor "diamantenregen, " een exotische neerslag voorspeld te vormen uit mengsels van elementen diep in ijzige reuzen.

Tot nu, onderzoekers gebruikten een techniek genaamd röntgendiffractie om dit te bestuderen, een reeks snapshots maken van hoe monsters reageren op lasergeproduceerde schokgolven die de extreme omstandigheden op andere planeten nabootsen. Deze techniek werkt goed voor kristalmonsters, maar is minder effectief voor niet-kristalmonsters waarvan de moleculen en atomen meer willekeurig zijn gerangschikt, die de diepte van het begrip dat wetenschappers kunnen bereiken beperkt. In deze nieuwe krant het team gebruikte een techniek genaamd X-ray Thomson-verstrooiing die eerdere diffractieresultaten nauwkeurig reproduceert, terwijl ze ook kunnen bestuderen hoe elementen zich onder extreme omstandigheden mengen in niet-kristalmonsters.

"Dit onderzoek levert gegevens op over een fenomeen dat heel moeilijk rekenkundig te modelleren is:de 'mengbaarheid' van twee elementen, of hoe ze combineren wanneer ze worden gemengd, " zegt LCLS-directeur Mike Dunne. "Hier zien ze hoe twee elementen scheiden, zoals mayonaise laten scheiden in olie en azijn. Wat ze leren, kan inzicht bieden in een belangrijke manier waarop fusie mislukt, waarin de inerte schil van een capsule zich vermengt met de fusiebrandstof en deze verontreinigt zodat deze niet verbrandt."

10, 000 kilometer diep

In dit meest recente experiment optische laserstralen lanceerden een schokgolf in een plastic monster bestaande uit koolstof en waterstof. Terwijl de schokgolf door het materiaal bewoog, de onderzoekers observeerden het door de geschokte gebieden te raken met röntgenfotonen van LCLS die zowel voorwaarts als achterwaarts verspreidden van elektronen in het monster.

"Een set verstrooide fotonen onthulde de extreme temperaturen en drukken die in het monster werden bereikt, die de gevonden 10 nabootsen, 000 kilometer onder het oppervlak van Uranus en Neptunus, ", zegt SLAC-wetenschapper en co-auteur Eric Galtier. "De andere onthulde hoe de waterstof- en koolstofatomen zich scheidden als reactie op deze omstandigheden."

Dieper gaan

De onderzoekers hopen dat ze met deze techniek de microscopische mix van materialen kunnen meten die in fusie-experimenten in het algemeen worden gebruikt, hoogenergetische lasers zoals de National Ignition Facility in het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) van DOE.

"We willen begrijpen of dit proces kan optreden bij inertiële opsluiting fusie-implosies met plastic ablatorcapsules, omdat het fluctuaties zou genereren die de implosieprestaties zouden kunnen vergroten en verslechteren, " zei Tilo Doeppner, LLNL-fysicus en co-auteur van het papier.

Opvolgen, het team is van plan om nog extremere omstandigheden te creëren die dieper in ijzige reuzen worden gevonden, en om monsters te bestuderen die andere elementen bevatten om te begrijpen wat er op andere planeten gebeurt.

"Met deze techniek kunnen we interessante processen meten die anders moeilijk na te maken zijn, " zegt Dominik Kraus, een wetenschapper bij Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf die de studie leidde. "Bijvoorbeeld, kunnen we zien hoe waterstof en helium, elementen gevonden in het binnenste van gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus, mengen en scheiden onder deze extreme omstandigheden. Het is een nieuwe manier om de evolutionaire geschiedenis van planeten en planetaire systemen te bestuderen. evenals het ondersteunen van experimenten naar mogelijke toekomstige vormen van energie uit fusie."