Используя рентгеновский лазер FLASH немецкого исследовательского центра DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), учёные нашли способ проведения достаточно точного анализа низших слоёв атмосферы газовых планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. В рамках исследования команда, возглавляемая доктором Ulf Zastrau из University of Jena, который также является ведущим автором научной статьи, посвящённой результатам исследования, продемонстрировала, как жидкий водород превращается в плазму. Это исследование предоставило важную информацию о теплопроводности материала и его внутреннем энергетическом обмене, что крайне важно для составления планетарных моделей.
Статья о результатах проведенных экспериментов будет опубликована в пятничном выпуске журнала «Physical Review Letters».
Атмосфера газовых планет-гигантов в большей степени представлена водородом, который является самым распространённым химическим элементом во Вселенной. По словам Zastrau, учёным, невзирая на множество чрезвычайно детализированных теоретических моделей, не так много известно о водороде в «интерьере» таких планет.
Исследователи решили в качестве образца планетарной атмосферы использовать холодный жидкий водород. Zastrau объясняет это тем, что жидкий водород характеризуется плотностью, которая соответствует плотности низших слоёв атмосферы газовых планет-гигантов. Учёные использовали рентгеновский лазер FLASH DESY, дабы нагреть водород от температуры -253 С до + 12 000 С, одновременно наблюдая за свойствами элемента во время процесса нагревания.
Водород – это самый простой атом периодической таблицы. В состав атомного ядра водорода, вокруг которого вращается всего один электрон, как правило, входит лишь один протон. Обычно водород содержится в молекуле, состоящей из двух атомов. Лазерный импульс от FLASH изначально нагревает исключительно электроны. Они медленно передают свою энергию протонам, которые примерно в 2000 раз тяжелее. Это происходит до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Молекулярные связи в ходе этого процесса разрушаются, и образуется плазменные электроны и протоны. Хотя этот процесс предполагает несколько тысяч столкновений между электронами и протонами, исследования показали, что тепловое равновесие можно достичь менее чем за триллионную долю секунды, то есть пикосекунду.
До этого исследования учёные для описания «интерьера» газовых планет-гигантов полагались исключительно на математические модели. Важные параметры модели учитывали диэлектрические свойства водорода, в частности, тепловую и электрическую проводимость, которые имею решающее значение для точного моделирования массивных, направленных наружу, потоков тепла в газовых планетах-гигантах.
По словам соавтора исследований Philipp Sperling из University of Rostock, в рамках исследования были установлены диэлектрические свойства жидкого водорода. Учёный отмечает, что, имея информацию о тепловой и электрической проводимости отдельных слоёв водорода в атмосфере гигантской газовой планеты, не составит труда вычислить температурный профиль. Эксперимент команды исследователей позволил им установить лишь одну точку в диаграмме фазы водорода. Для воссоздания детальной картины всей планетарной атмосферы, необходимо проведение аналогичных экспериментов при иных температурных условиях и другом давлении.
Исследование требует больших усилий, частично потому, что водород в жидком виде практически не представлен на Земле. Для сжижения водородного газа, его необходимо сначала охладить до минус 253 С. По словам члена команды Sven Toleikis, в рамках эксперимента использовался чрезвычайно чистый водород, который пропускали через медный блок, охлаждаемый жидким гелием. Крайне сложно добиться нужной температуры, которая должать быть не выше, и не ниже – 253 С, так как если температура будет выше, он попросту замерзнет. В случае «переохлаждения» водородного газа используется специальный нагреватель и процесс сжижения повторяется заново. На конце медного блока находится небольшая форсунка, по которой жидкий водород тонкой струёй (не более 20 микрометров в диаметре) поступает в экспериментальную вакуумную камеру. Экспериментальная установка была разработана в ходе многолетнего сотрудничества между University of Rostock и DESY.
Для изучения свойств жидкого водорода, по мере его испарения, исследователи «стреляли» по тонкой струе интенсивным импульсом от рентгеновского лазера FLASH. По словам Toleikis, для эксперимента использовалась уникальная способность лазерной вспышки разделяться на две отдельные «пол вспышки», то есть первая половина вспышки нагревала водород, а вторая позволяла исследовать его свойства. Используя Split-and-Delay Unit, который был разработан в ходе сотрудничества University of Münster и Helmholtz-Zentrum Berlin, исследователи сознательно отсрочили вторую «пол вспышку» на 15 пикосекунд. Благодаря этой временной задержки, весь процесс, в ходе которого устанавливается тепловое равновесие межу электронами и протонами в водороде, можно было наблюдать как во время замедленной видеосъемки.
Тем не менее, интерпретация данных наблюдений также довольно трудоёмкая. По словам Ronald Redmer, возглавлявшего рабочую группу Rostock, потребовалось много времени, дабы понять, что происходило в ходе эксперимента. Исследователи использовали теорию функционала плотности – стандартный инструмент квантовой физики, который используется для описания многих систем с электронами – для моделирования процесса. Оказалось, что эта стандартная процедура не подходит для систем с двумя различными температурами, как в эксперименте FLASH. Согласно Ronald Redmer, прежде чем правильно описать наблюдения, им пришлось расширить теорию функционала плотности и адаптировать её для модели с двумя различными температурами.
Научный руководитель European XFEL X-ray laser Thomas Tschentscher подытожил, что проведённый эксперимент показал учёным способ, как посредством рентгеновских лазеров можно исследовать плотную плазму. По его словам, это метод дает возможности для дальнейших исследований в этом направлении.
