Как мы можем понять загадочные планеты, такие как Юпитер? Используйте гигантские лазеры!
Ключевые выводы
- Водород и гелий ведут себя очень странно под высоким давлением.
- Металлический водород и гелиевый дождь могут существовать на газовых гигантах, таких как Юпитер и Сатурн.
- Мы можем воссоздать эти экстремальные условия в лаборатории с помощью гигантских лазеров!
Вселенная полна планет-гигантов. Подобно Юпитеру и Сатурну в нашей собственной Солнечной системе, эти гигантские миры могут играть центральную роль в формировании жизни в планетной системе, потому что их сильное гравитационное притяжение засасывает кометы и астероиды, которые в противном случае могли бы обрушиться на земной мир, такой как Земля. Но понимание таких планет, как Юпитер и Сатурн, сопряжено со значительными трудностями. Под их красиво очерченными облаками материя должна принимать новые и странные формы, поскольку давление поднимается намного выше всего, что встречается на Земле или на Земле. Как ученым исследовать эти скрытые глубины?
С гигантскими лазерами, конечно!
Недавно ученые использовали лазеры размером с футбольное поле в инновационном новом исследовании недр гигантских планет. Их целью было пролить свет на одну из величайших тайн больших миров: избыток энергии и возможность гелиевого дождя.
Металлический водород и гелиевый дождь
И Юпитер, и Сатурн состоят примерно на 75 процентов из водорода и на 25 процентов из гелия. Но из-за того, что обе планеты очень массивны (Юпитер и Сатурн весят в 318 и 95 раз больше массы Земли соответственно), внутреннее давление становится экстремальным по мере погружения вглубь планеты. По мере повышения давления атомы водорода и гелия сжимаются так сильно, что ведут себя совершенно новым и удивительным образом.
Под облачными покровами на обеих планетах водород сначала образует обширный жидкий океан, а затем, по мере погружения вглубь, атомы водорода начинают закрепляться на своих местах и вести себя как твердый металл. Металлический водород не существует в природе нигде на Земле.
Но поскольку на этих планетах есть и водород, и гелий, ученые также должны учитывать, насколько хорошо смешаны эти два элемента при более высоком давлении, чем в центре Земли. Одна из теорий гласит, что глубоко внутри этих планет атомы водорода и гелия разделяются, как масло и вода. Поскольку гелий тяжелее водорода, если они разделятся, то должен быть гелиевый «дождь», падающий через недра газовых гигантов. Трение, создаваемое таким непрерывным гелиевым ливнем через его водородное окружение, будет генерировать тепло, и в конечном итоге это тепло можно будет обнаружить из космоса в виде излучения. Вот почему «гелиевый дождь» был главным претендентом на объяснение того, почему Сатурн излучает больше энергии, чем получает от Солнца.
Лазерные лаборатории
Но пока только чистая теория может завести ученых так далеко. Чтобы проверить теорию гелиевых дождей, исследователям каким-то образом нужно получить данные о реальных смесях водорода и гелия под сумасшедшим давлением, с которым планеты-гиганты живут каждый день. Хотя мы не можем производить такие давления в обычной лаборатории, мы можем получить их с помощью лазерной лаборатории. В частности, мы можем сделать их в специальном месте под названием Лаборатория лазерной энергетики (LLE) в Университете Рочестера в Нью-Йорке.
Я большой поклонник LLE, потому что много лет работаю там с исследователями. (Я профессор Рочестерского университета). Вместе мы продвигаем область под названием «лабораторная астрофизика высокой плотности энергии» (HEDLA). Гигантская 60-лучевая лазерная система LLE Omega была разработана для сжатия гранул водорода до температуры и плотности, при которых они сливаются, как внутри Солнца. Лазерный синтез - это один из способов, как мы надеемся, производить обильную чистую энергию. Но на долгом пути к цели эти лазеры можно также использовать для доведения крошечных образцов материи до астрофизически значимых условий, таких как условия внутри гигантской планеты! Вот что такое HEDLA.
Чтобы лучше понять проблему гелиевого дождя, образец водорода, смешанного с гелием, помещают внутрь крошечной капсулы. Затем капсула помещается в центр трехэтажной целевой камеры Омега в форме футбольного мяча и взрывается лазерами. Когда лазерные лучи сходятся на капсуле, они вызывают мощный удар по водородно-гелиевой смеси. Газ на короткое время сжимается до давления, в миллионы раз превышающего ту «атмосферу», которую мы испытываем на поверхности Земли. Используя сложную диагностику, команда может увидеть, как образцы отреагировали на это сжатие. Теоретические расчеты, проведенные перед экспериментами, показали, что полностью перемешанные образцы должны вести себя иначе, чем образцы, в которых гелий конденсировался из смеси.
Результаты, опубликованные в журнале Nature, показали, что расслоение произошло примерно так, как предсказывала теория. Так что да, гелиевый дождь идет на Сатурн, Юпитер и (скорее всего) на планеты-гиганты в других частях Вселенной. Были также некоторые важные различия между данными и расчетами, которые должны помочь исследователям уточнить свое понимание разделения. Это также поможет нам понять структуру планет-гигантов в любой точке Вселенной.
С моей точки зрения, сам факт существования такого рода экспериментов просто поражает меня. Мы до сих пор не можем путешествовать в далекие инопланетные миры, но наша наука и технологии стали настолько мощными, что мы можем воссоздавать их крошечные образцы в наших лабораториях, используя, скажем еще раз, гигантские лазеры. Как это круто?