Международная группа исследователей получила возможность изучить нижние слои атмосферы газовых планет-гигантов, таких как Юпитер или Сатурн, используя рентгеновский лазер FLASH, расположенный в немецком исследовательском центре DESY (Deutsche Elektronen-Synchrotron X-ray laser FLASH).
Команда ученых во главе с доктором Ульфом Застрау из университета Йены продемонстрировали, каким образом жидкий водород на Юпитере становится плазмой. Выводы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, также содержат информацию о теплопроводности материала и его внутреннем энергообмене, который является важным ингредиентом при построении планетарных моделей.
Водород является самым распространенным химическим элементом во Вселенной и основным ингредиентом в атмосфере газовых гигантов.
«У нас очень мало экспериментальных знаний о водорода в атмосфере таких планет. И это не смотря на наши очень хорошие теоретические модели. Из-за этого, команда решила использовать холодный жидкий водород в качестве образца планетарной атмосферы. Жидкий водород имеет плотность, которая соответствует нижней атмосфере таких гигантских газовых планет», – говорит доктор Застрау.
Рентгеновский лазер FLASH DESY был использован для нагрева жидкого водорода практически мгновенно, от минус 253 до примерно 12 000 градусов по Цельсию. Это позволило команде наблюдать свойства элемента в процессе нагрева.
Наряду с тем, что водород является самым распространенным химическим элементом, он также является простейшим атомом периодической таблицы Менделеева. Он состоит из одного протона в атомном ядре и одного электрона. Сначала рентгеновский лазер импульс от FLASH нагревает только электроны, которые медленно передают свою энергию протонам, которые в 2000 раз тяжелее электронов, пока не достигается тепловое равновесие. Во время этого процесса молекулярные связи разбиваются и начинается процесс образования плазменных электронов и протонов. Наблюдения показывают, что хотя процесс может занять много тысяч столкновений между электронами и протонами, тепловое равновесие достигается за несколько пикосекунд.
«Исследование показало выявило диэлектрические свойства жидкого водорода. Когда вы знаете тепловые и электрические проводимости отдельных слоев водорода в атмосфере гигантских газовых планет, можно вычислить и связанный с ними температурный профиль», – сообщает доктор Филипп Сперлинг из университета Ростока.
Поскольку водород, естественно, не существует в жидком виде на Земле , это исследование требует много усилий . Во-первых, водород должен быть охлажден до минус 253 градусов Цельсия для его разжижения.
«Мы используем исключительно чистый газообразный водород и прогоняем его через медный блок, который охлаждается жидким гелием. При этом мы должны очень точно контролировать температуру процесса. Многолетнее сотрудничество между DESY и Университетом Ростока позволили создать эту экспериментальную установку», – объясняет Свен Толяйкис, один из членов команды DESY.
DESY является ведущим немецкий центром ускорителя частиц и одним из крупнейших ускорителей в мире. В научно-исследовательскую группу вошли ученые из научно-исследовательского центра SLAC National Accelerator Laboratory и Ливерморской национальной лаборатории США, институт Йена, Оксфордского университета, Центра имени Гельмгольца GSI по исследованию тяжелых ионов, Гамбургского центра сверхбыстрой визуализации ( НПИ ), университета Мюнстера и Европейского цента XFEL.