Подтверждение возможности существования гелиевого дождя внутри Юпитера и Сатурна

Почти 40 лет назад ученые впервые предположили существование гелиевого дождя внутри планет, состоящих в основном из водорода и гелия, таких как Юпитер и Сатурн. Однако создание экспериментальных условий, необходимых для проверки этой гипотезы, не было возможным – до настоящего времени.

В новом исследовании ученые представляют экспериментальные доказательства справедливости этого давнего прогноза, показывая, что гелиевый дождь возможен в широком диапазоне давлений и температур, соответствующих давлениям и температурам, которые ожидаются в недрах таких планет.

«Мы открыли, что гелиевый дождь существует в действительности и может иметь место в недрах как Сатурна, так и Юпитера, - сказал Мариус Миллот (Marius Millot), физик из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса, США, и один из авторов новой работы. – Это поможет планетологам глубже понять формирование и эволюцию таких планет, что, в свою очередь, важно для исследований процессов сборки Солнечной системы».

«Юпитер вызывает особенно большой исследовательский интерес, поскольку считается, что он помог «защитить» внутреннюю часть нашей планетной системы, где происходило формирование Земли, - добавил Раймонд Джанлоз (Raymond Jeanloz), соавтор работы и профессор наук о Земле и планетах Калифорнийского университета, США. – Возможно, мы находимся там, где мы есть, именно из-за влияния Юпитера».

В своей работе команда использовала ячейку с алмазными наковальнями, чтобы сжать смесь из водорода и гелия до давления в 4 гигапаскаля (ГПа). Затем исследователи использовали 12 гигантских лучей лазера «Омега» Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета, США, для запуска мощных ударных волн, которые позволили увеличить давление на образец до достижения целевого диапазона в 60-180 ГПа, и нагрели материал до нескольких тысяч градусов Цельсия. Похожий подход стал в свое время ключом к открытию суперионного водяного льда.

Используя комплекс инструментов сверхбыстрого анализа, ученые измерили скорость ударной волны, оптическую отражательную способность сжимаемого ударной волной образца и его тепловое излучение. Анализ этих данных показал, что отражательная способность образца при увеличении давления ударной волны возрастает не постепенно, как в случае многих других образцов, испытанных на этой установке, а скачками. Это, в свою очередь, означает, что электрическая проводимость образца также изменяется скачками, а следовательно, смесь из гелия и водорода подвергается разделению, показали авторы.

Численное моделирование процессов разделения гелия и водорода является затруднительным из-за наличия тонких квантовых эффектов. Эти эксперименты помогут проверить справедливость теории и корректность численных моделей. В будущем команда планирует повысить качество своих измерений и расширить их на другие составы, чтобы глубже понять поведение материалов при экстремальных температурах в целом.

Исследование опубликовано в журнале Nature.