Các hành tinh khổng lồ băng giá trong phòng thí nghiệm

Các hành tinh khổng lồ như Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có thể chứa hydro tự do ít hơn nhiều so với trước đây. Các nhà nghiên cứu từ Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) của Đức đã truyền sóng xung kích qua hai loại nhựa khác nhau để đạt được nhiệt độ và áp suất giống nhau bên trong các hành tinh đó và quan sát hành vi sử dụng các xung laser tia X cực mạnh. Thật bất ngờ, một trong những loại nhựa này vẫn giữ cấu trúc tinh thể của nó ngay cả ở áp lực cực đoan nhất. Vì nội thất khổng lồ băng giá được tạo thành từ các thành phần giống như nhựa, các mô hình hành tinh có thể cần phải được xem xét lại một phần, như đã được báo cáo trong tạp chí Khoa học báo cáo.

Carbon và hydro là một trong những nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ và là thành phần chính của các hành tinh khổng lồ băng giá như Thiên vương tinh và Hải vương tinh. Trong khí quyển bên ngoài, các nguyên tử này được tìm thấy dưới dạng khí metan, nhưng sâu hơn bên trong áp suất cao có thể dẫn đến các cấu trúc hydrocarbon phức tạp hơn. Dự đoán các giai đoạn và cấu trúc mà vật liệu thực hiện ở những điều kiện này là một trong những câu hỏi lớn của nghiên cứu hành tinh.

Để hiểu rõ hơn về cấu trúc của những người khổng lồ băng, một nhóm nghiên cứu quốc tế do hai nhà nghiên cứu HZDR, Tiến sĩ Nicholas Hartley và Tiến sĩ Dominik Kraus đã điều tra hai loại nhựa trong một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm: polystyrene và polyethylen. Những vật liệu này tương tự như hóa học với hydrocarbon bên trong các hành tinh. Tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC ở Mỹ, các nhà khoa học đã phơi bày các mẫu với các điều kiện được dự đoán là có mặt khoảng mười nghìn km dưới bề mặt của Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương. Ở độ sâu này, áp suất cao gần bằng lõi trái đất và cao hơn hai triệu lần so với áp suất khí quyển trên bề mặt trái đất.

Đạt áp lực cực cao

Ở áp suất và nhiệt độ cao như vậy, cấu trúc duy nhất có thể mà các nhà nghiên cứu mong đợi là kim cương, hoặc các mẫu sẽ bị tan chảy. Thay vào đó, họ quan sát các cấu trúc hydrocarbon ổn định đến áp suất cao nhất đạt được, nhưng chỉ đối với các mẫu polyetylen. “Chúng tôi đã rất bất ngờ trước kết quả này”, ông Hartley nói. “Chúng tôi không hy vọng trạng thái ban đầu khác nhau sẽ tạo ra sự khác biệt lớn như vậy ở những điều kiện khắc nghiệt như vậy. Chỉ mới gần đây, với sự phát triển của các nguồn tia X sáng hơn, chúng tôi có thể nghiên cứu những tài liệu này. rằng nó có thể là có thể – và nó đã được. “

Vì các điều kiện khắc nghiệt bên trong những người khổng lồ băng trên Trái đất chỉ có thể đạt được trong một khoảnh khắc ngắn ngủi, các nhà nghiên cứu cần các phương pháp đo nhanh như chớp. Chỉ có một số ít các cơ sở laser tia X cực nhanh trên toàn thế giới, và thời gian để đo là rất hiếm và đòi hỏi cao. Kraus và Hartley đã được trao tổng cộng ba ca làm việc mười hai giờ cho các thí nghiệm của họ, và vì vậy phải sử dụng mỗi phút để thực hiện càng nhiều lần đo càng tốt. Khoảnh khắc thực tế nơi họ gây sốc cho mẫu và đầu dò bằng tia X-quang chỉ mất vài phần tỷ giây.

Một cấu trúc bất ngờ xuất hiện

Ngay cả trong các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã có thể nhận ra kết quả ban đầu: “Chúng tôi rất phấn khích vì, như hy vọng, polystyrene hình thành các cấu trúc giống như kim cương của carbon. Tuy nhiên, đối với polyetylen, chúng tôi không thấy kim cương nào đạt được điều kiện trong thí nghiệm này. Thay vào đó, có một cấu trúc mới mà lúc đầu chúng tôi không thể giải thích được, “Hartley nhớ lại. Bằng cách so sánh dữ liệu với kết quả trước đó ở áp suất thấp hơn, họ xác định đây là cấu trúc ổn định của polyetylen, được nhìn thấy ở áp suất thấp hơn năm lần và chỉ ở nhiệt độ môi trường.

Phát hiện của nhóm nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng của việc mô tả rõ hơn các điều kiện nhiệt độ và áp suất bên trong những người khổng lồ băng và hóa học mà chúng dẫn đến, để hiểu cấu trúc và tính chất vật lý của chúng. Các mô hình của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương cho rằng từ trường bất thường của các hành tinh này có thể bắt nguồn từ hydro tự do, những kết quả này có thể ngụ ý là ít phổ biến hơn dự kiến. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu muốn sử dụng các hỗn hợp bao gồm oxy, để các thí nghiệm của họ phù hợp hơn với hóa học bên trong các hành tinh.

Các nhà nghiên cứu từ HZDR đã được tham gia bởi các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC, Đại học Osaka, TU Dresden, TU Darmstadt, GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, Đại học California , XFEL châu Âu, LULI tại École Polytechnique ở Paris và Đại học Rostock.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. NJ Hartley, S. Brown, TE Cowan, E. Cuckyham, T. Döppner, RW Falcone, LB Fletcher, S. Frydrych, E. Galtier, EJ Gamboa, A. Laso Garcia, DO Gericke, SH Glenzer, E. Granados, PA Heimann, HJ Lee, MJ MacDonald, AJ MacKinnon, EE McBride, I. Nam, P. Neumayer, A. Pak, A. Pelka, I. Prencipe, A. Ravasio, M. Rödel, K. Rohatsch, AM Saunders, M. Schölmerich, M. Schorner, AK Schuster, P. Sun, T. van Driel, J. Vorberger, D. Kraus. Bằng chứng về cấu trúc tinh thể trong polyetylen nén động đến 200 GPa . Báo cáo khoa học, 2019 DOI: 10.1038 / s41598-019040782-5