Sterrekunde

Heliumreën in metaalwaterstof in Jupiter, toestande en eksperimente?

Heliumreën in metaalwaterstof in Jupiter, toestande en eksperimente?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

In reaksie op die feit dat dit vandag pi-dag is (sien ook http://www.piday.org/), het NASA sy vyfde jaarlikse pi in die lug-dag 5-aktiwiteit gepubliseer (sien ook NASA gaan die afstand en vier Pi-dag saam met NASA) .

Vanjaar se NASA-aktiwiteit bevat die probleemstel Helium Heist: A 'Pi in the Sky' Wiskunde-uitdaging. Hieronder is 'n geknipte skermfoto van die illustrasie uit hierdie PDF-weergawe.

Die gedeelte wat ek die opvallendste gevind het, is:

Daar is veronderstel dat die helium uit die boonste atmosfeer uitgeput is en dieper die planeet binne vervoer is. Die uiterste druk in Jupiter kondenseer helium tot druppels wat in 'n vloeibare metaalwaterstoflaag onder vorm. Omdat die helium digter is as die omliggende waterstof, val die heliumdruppels soos reën deur die vloeibare metaalwaterstof.

Vraag: Wat is die druk en temperatuur wat vermoedelik op hierdie diepte in Jupiter gedink word? Is hierdie regime hoegenaamd eksperimenteel op aarde toeganklik om te bevestig dat hierdie twee vloeistowwe onmengbaar is, of is hierdie gedrag suiwer teoreties?


onder: geknipte skermskoot van hier (NASA). Klik vir volle grootte.


Verskillende bronne gee aansienlik verskillende waardes vir die toestande waaronder waterstof van molekulêr na metaal verskuif. Kyk na die bespreking in die kommentaar wat verband hou met hierdie vraag. Druk is ongeveer 20 tot 300 GPa en die temperatuur is ongeveer 10 000 K.

Eksperimente kan net-net hierdie druk bereik, teen laer temperature, vir klein hoeveelhede materiaal, en die vraag of iemand glad nie metaalwaterstof gemaak het nie, bly kontroversieel. Niemand kan dit beslis herhaalbaar maak nie. (wikipedia het 'n redelike opsomming van die geskiedenis) of maak genoeg daarvan en hou dit lank genoeg om na te gaan in watter mate, indien enige, helium daarin oplosbaar is.

Dit gesê, om uit die teorie te ontleed of dit oplosbaar sal wees, moet nie so moeilik wees nie, aangesien waterstof en helium relatief eenvoudige atome is. In 'n vroeë artikel word tot die gevolgtrekking gekom dat die waterstof op of naby die limiet van die hoeveelheid helium kan wees. Ek is seker daar is meer akkurate onlangse werk, maar ek kon dit nie vinnig vind nie.


Heliumreën binne Saturnus, Jupiter en ander Joviese planete, navorsingsvoorstelle

Modelle van hoe Saturnus en Jupiter gevorm het, kan binnekort 'n ander voorkoms aanneem. Deur die eienskappe van waterstof-heliummengsels te bepaal by die miljoene druk in die binnekant van Saturnus en Jupiter, het fisici van die Lawrence Livermore National Laboratory en die Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign die temperatuur by 'n gegewe druk bepaal wanneer helium word onoplosbaar in digte metaalwaterstof.

Die resultate is direk relevant vir modelle van die binnestruktuur en evolusie van Joviese planete.

Waterstof en helium is die twee ligste en mees algemene elemente in die heelal. As gevolg van hul alomteenwoordige aard, is dit van kritieke belang in kosmologiese nukleosintese en is dit noodsaaklike elemente van sterre en reuse-planete. Waterstof op sigself in die waarneembare heelal gee leidrade vir die oorsprong en grootskaalse strukture van sterrestelsels.

Wetenskaplikes het egter gesukkel om vas te stel watter voorwaardes nodig is om die twee elemente te meng.

Miguel Morales, 'n DOE Stewardship Science-gegradueerde van David Ceperley se groep aan die Universiteit van Illinois, het met die eerste beginsel-simulasies van molekulêre dinamika saam met Eric Schwegler van LLNL, Sebastien Hamel, Kyle Caspersen en Carlo Pierleoni van die Universiteit van L'Aquila in Italië gewerk aan bepaal die toestandsvergelyking van die waterstof-heliumstelsel by buitengewone hoë temperature (4.000-10.000 grade Kelvin), soortgelyk aan wat in die binneland van Saturnus en Jupiter aangetref sou word.

Die span het LLNL se uitgebreide hoëprestasie-rekenaarfasiliteite gebruik om simulasies oor 'n wye verskeidenheid digtheid, temperatuur en samestelling uit te voer om die toestandvergelyking van die twee elemente op te spoor.

"Ons simulasie-resultate stem ooreen met die idee dat 'n groot deel van die binnekant van Saturnus toestande het sodat waterstof- en heliumfase van mekaar skei," het Morales gesê. "Dit kan verantwoordelik wees vir die skynbare teenstrydigheid tussen die huidige evolusiemodelle vir Saturnus en waarnemingsdata."

Behalwe dat dit meestal van waterstof en helium bestaan, is dit 'n kenmerk van Joviese planete dat hulle meer energie uitstraal as wat hulle van die son af opneem. Verskeie modelle van hul evolusie en struktuur is ontwikkel om 'n verband tussen die ouderdom, volume en massa van die planeet en sy helderheid te beskryf.

Alhoewel hierdie model vir Jupiter werk deur die bestraling van die energie wat 4,55 miljard jaar gelede oorgebly het, te modelleer, werk dit nie juis vir Saturnus nie. In plaas daarvan onderskat die model die huidige helderheid van Saturnus ernstig.

Daarom het die navorsers besluit om iets anders te probeer. Hulle het vasgestel waar helium en waterstof meng asook by watter temperatuur hulle nie meng nie.

Dit blyk dat die temperatuur waar die twee elemente nie meng nie, hoog genoeg is dat helium "gedeeltelik mengbaar is oor 'n beduidende fraksie van die binneland van die Joviese planete, met die ooreenstemmende streek Saturnus groter as in Jupiter," het Schwegler gesê. "Dit kan die huidige binnemodelle van Saturnus en Jupiter verander."

Die nuwe bevindings verskyn in die 26 Januarie aanlyn-uitgawe van die tydskrif Proceedings of the National Academy of Sciences.


Wetenskaplikes herskep Jupiter se moontlike heliumreën in die laboratorium

Wetenskaplikes het in die laboratorium van die wilde weer wat op Jupiter en Saturnus voorkom, herskep. Met behulp van buitengewoon hoë druk en laserskokgolwe het die navorsers 'heliumreën' geproduseer, wat vermoedelik op hierdie planete val.

Die atmosfeer van gasreuse, soos Jupiter en Saturnus, bestaan ​​meestal uit waterstof en helium. Onder hierdie omstandighede word lank voorspel dat helium vloeibare druppels moet vorm en val, maar eksperimentele bewyse was moeilik om op te spoor.

Maar nou is hierdie toestande in die laboratorium herskep, wat daarmee heliumreën lewer. Dit is te danke aan navorsers aan die Universiteit van Rochester, UC Berkeley, die Lawrence Livermore National Lab en die Franse kommissie vir alternatiewe energie en atoomenergie.

Die span het eers 'n diamant-aambeeldsel gebruik om 'n mengsel van waterstof en helium tot ongeveer 40 000 keer die druk van die aarde se atmosfeer saam te pers. Daarna het die navorsers 'n kragtige laser op die gasse geskiet wat sterk skokgolwe opgelewer het wat hulle nog verder saamgepers het, asook verhit tot tussen 4.425 ° C (8.000 ° F) en 9.925 ° C (17.900 ° F).

En seker genoeg, toe die navorsers die weerkaatsingsvermoë van die sein bestudeer, het dit aangedui dat die elektriese geleidingsvermoë op sekere punte vinnig verander het. Dit beteken dat helium en waterstof skei, wat daartoe lei dat die helium in druppels in die waterstof saamval. Aangesien hierdie druppels effens swaarder is, sou dit soos reën deur die atmosfeer sak - net soos voorspel.

"Ons eksperimente dui daarop dat heliumdruppels diep binne Jupiter en Saturnus deur 'n massiewe see van vloeibare metaalwaterstof val," sê Gilbert Collins, hoofskrywer van die studie. 'Dit is 'n wonderlike ding om aan te dink die volgende keer as jy in die naghemel na Jupiter opkyk. Hierdie werk sal ons help om die aard en evolusie van Jupiter beter te begryp, wat veral belangrik is, aangesien daar al lank van Jupiter beskou word dat hy 'n ruimtelike vullisverwyderaar was en ons planeet in die sonnestelsel beskerm. '

Helium is nie die enigste ongewone ding wat as reën in die atmosfeer van ander planete val nie. Sterrekundiges het voorheen bewyse gevind van buiteaardse reën wat van rotse, diamante, robyne, yster of titaanoksied gemaak is.


Wetenskaplikes herskep Jupiter se moontlike heliumdou in die laboratorium

Maar nou is hierdie toestande in die laboratorium herskep, wat daarmee heliumreën lewer. Dit is te danke aan navorsers aan die Universiteit van Rochester, UC Berkeley, die Lawrence Livermore National Lab en die Franse kommissie vir alternatiewe energie en atoomenergie. Die span het eers 'n diamant-aambeeldsel gebruik om 'n mengsel van waterstof en helium tot ongeveer 40 000 keer die druk van die aarde se atmosfeer saam te pers. Daarna het die navorsers 'n kragtige laser op die gasse geskiet wat sterk skokgolwe opgelewer het wat hulle nog verder saamgepers het, asook verhit tot tussen 4.425 ° C (8.000 ° F) en 9.925 ° C (17.900 ° F).

En seker genoeg, toe die navorsers die weerkaatsingsvermoë van die sein bestudeer, het dit aangedui dat die elektriese geleidingsvermoë op sekere punte vinnig verander het. Dit beteken dat helium en waterstof skei, wat daartoe lei dat die helium in druppels in die waterstof saamval. Aangesien hierdie druppels effens swaarder is, sou dit soos reën deur die atmosfeer sak - net soos voorspel. Bron: Universiteit van Rochester

Die nuwe studie is in die vaktydskrif Nature gepubliseer. Bron

Helium is nie die enigste ongewone ding wat as reën in die atmosfeer van ander planete val nie. Sterrekundiges het voorheen bewyse gevind van buitelugreën wat van rotse, diamante, robyne, yster of titaanoksied gemaak is. "Ons eksperimente dui daarop dat heliumdruppels diep binne-in Jupiter en Saturnus deur 'n massiewe see van vloeibare metaalwaterstof val," sê Gilbert Collins, hoofskrywer van die studie. 'Dit is 'n wonderlike ding om aan te dink die volgende keer as jy in die naghemel na Jupiter opkyk. Hierdie werk sal ons help om die aard en evolusie van Jupiter beter te begryp, wat veral belangrik is, aangesien daar al lank van Jupiter beskou word dat hy 'n ruimtelike vullisverwyderaar was en ons planeet in die sonnestelsel beskerm. '


Heliumreën op Jupiter verklaar die gebrek aan neon in die atmosfeer

In die binnekant van Jupiter is die toestande egter so vreemd dat volgens voorspellings van die Universiteit van Kalifornië, wetenskaplikes in Berkeley, helium in druppels kondenseer en soos reën val.

Heliumreën is vroeër voorgestel om die oormatige helderheid van Saturnus, 'n gasreus soos Jupiter, maar 'n derde van die massa, te verklaar.

Op Jupiter beweer wetenskaplikes van UC Berkeley egter dat heliumreën die beste manier is om die skaarste aan neon in die buitenste lae van die planeet, die grootste sonnestelsel, te verklaar. Neon los op in die helium-reëndruppels en val na die dieper binneste waar dit weer oplos, wat die boonste lae van albei elemente uitput, in ooreenstemming met waarnemings.

'N Sny deur die binnekant van Jupiter toon die boonste lae wat van helium en neon uitgeput is, die dun laag waar heliumval kondenseer en val, en die diep binnekant waar helium en neon weer met metaalwaterstof meng. (Burkhard Militzer-grafika)

"Helium kondenseer aanvanklik as 'n mis in die boonste laag, soos 'n wolk, en namate die druppels groter word, val dit na die dieper binneland," het UC Berkeley, postdoktorale genoot, Hugh Wilson, medeskrywer van 'n verslag wat hierdie week verskyn, gesê. in die tydskrif Physical Review Letters. "Neon los in die helium op en val daarmee saam. Ons studie verbind die waargenome vermiste neon in die atmosfeer met 'n ander voorgestelde proses, heliumreën."

Wilson se medeskrywer, Burkhard Militzer, UC Berkeley-assistent-professor in aarde- en planetêre wetenskap en sterrekunde, het opgemerk dat 'reën' - die waterdruppels wat op die aarde val - 'n onvolmaakte analogie is met wat in die atmosfeer van Jupiter gebeur. Die heliumdruppels vorm ongeveer 10.000 tot 13.000 kilometer (6.000-8.000 myl) onder die toppe van Jupiter se waterstofwolke, onder druk en temperatuur so hoog dat 'jy nie kan weet of waterstof en helium 'n gas of 'n vloeistof is nie', het hy gesê . Hulle is almal vloeistowwe, dus die reën is regtig druppels vloeibare helium gemeng met neon wat deur 'n vloeistof van metaalwaterstof val.

Die voorspelling van die navorsers sal volgens Wilson help om die modelle van Jupiter se binnekant en die binnekant van ander planete te verfyn. Die modellering van planetêre interieurs het 'n warm navorsingsgebied geword sedert die ontdekking van honderde buitesolare planete wat in uiterste omgewings rondom ander sterre woon. Die studie sal ook relevant wees vir NASA se Juno-missie na Jupiter, wat volgende jaar van stapel gestuur word.

Militzer en Wilson tel onder die modelleerders en gebruik 'digtheidfunksionele teorie' om die eienskappe van Jupiter se binnekant te voorspel, spesifiek wat met die dominante bestanddele gebeur - waterstof en helium - namate die temperatuur en druk na die middelpunt van die planeet toeneem. Hierdie toestande is nog te ekstrem om in die laboratorium weergegee te word. Selfs eksperimente in diamant-aambeeld-selle kan slegs druk in die kern van die aarde lewer. In 2008 het Militzer se rekenaarsimulasies gelei tot die gevolgtrekking dat die rotsagtige kern van Jupiter omring word deur 'n dik laag metaan-, water- en ammoniakys wat dit twee keer so groot maak as vroeër voorspellings.

Die twee modelleerders het hul huidige ondersoek begin weens 'n ontdekking deur die Galileo-sonde wat in 1995 deur die atmosfeer van Jupiter afgesak het en die metings van temperatuur, druk en elementêre oorvloed teruggestuur het totdat dit onder die gewig van die atmosfeer vergruis is. Dit lyk asof alle elemente so effens verryk is in vergelyking met die oorvloed op die son - wat vermoedelik soortgelyk is aan die elementêre oorvloed 4,56 miljard jaar gelede toe die sonnestelsel gevorm het - behalwe helium en neon. Neon het opgeval omdat dit een tiende so volop was as in die son.

Hul simulasies het getoon dat die enigste manier waarop neon uit die boonste atmosfeer verwyder kan word, is om dit met helium uit te val, aangesien neon en helium maklik meng, soos alkohol en water. Militzer en Wilson se berekeninge dui daarop dat waterstof in ongeveer 10.000 tot 13.000 kilometer die planeet binnegaan, waar die temperatuur ongeveer 5 000 grade Celsius en die druk 1 tot 2 miljoen keer die atmosferiese druk op die aarde is, 'n geleidende metaal word. Helium, nog nie 'n metaal nie, meng nie met metaalwaterstof nie, dus vorm dit druppels, soos druppels olie in water.

Dit het 'n verduideliking gegee vir die verwydering van neon uit die boonste atmosfeer.

'Namate die helium en die neon dieper in die planeet val, word die oorblywende waterstofryke omhulsel stadig van neon en helium uitgeput,' het Militzer gesê. "Die gemete konsentrasies van albei elemente stem kwantitatief ooreen met ons berekeninge."

Saturnus se heliumreën is voorspel as gevolg van 'n ander waarneming: Saturnus is warmer as wat dit moes wees, op grond van sy ouderdom en die voorspelde koeltempo. Die reën wat val, stel hitte vry wat die verskil verteenwoordig.

Jupiter se temperatuur is in ooreenstemming met die modelle van die koelsnelheid en die ouderdom, en het geen hipotese van heliumreën nodig gehad totdat die neonuitputting in die atmosfeer ontdek is nie. Interessant genoeg het die teoretikus David Stevenson van die California Institute of Technology (Caltech) voorspelling van neonuitputting by Jupiter voor die meting van die Galileo-sonde, maar nooit 'n rede vir sy raaiskoot gepubliseer nie.

Die werk is ondersteun deur die National Aeronautics and Space Administration en die National Science Foundation, met superrekenaars wat deur die National Energy Research Scientific Computing Centre by die Lawrence Berkeley National Laboratory aangebied word.

Die Fisiese oorsigbriewe artikel, wat nou aanlyn is, sal na verwagting in die gedrukte uitgawe van 26 Maart verskyn.


Heliumreën op Jupiter verklaar die gebrek aan neon in die atmosfeer

In die binnekant van Jupiter is toestande egter so vreemd dat volgens voorspellings van die Universiteit van Kalifornië, wetenskaplikes in Berkeley, helium in druppels kondenseer en soos reën val.

'N Sny deur die binnekant van Jupiter toon die boonste lae wat van helium en neon uitgeput is, die dun laag waar heliumval kondenseer en val, en die diep binnekant waar helium en neon weer met metaalwaterstof meng. (Burkhard Militzer-grafika)

Heliumreën is vroeër voorgestel om die oormatige helderheid van Saturnus, 'n gasreus soos Jupiter, maar 'n derde van die massa, te verklaar.

Op Jupiter beweer UC Berkeley-wetenskaplikes egter dat heliumreën die beste manier is om die skaarste aan neon in die buitenste lae van die planeet, die sonnestelsel en die grootste, te verklaar. Neon los op in die helium-reëndruppels en val na die dieper binneste waar dit weer oplos, wat die boonste lae van albei elemente uitput, in ooreenstemming met waarnemings.

& # 8220Helium kondenseer aanvanklik as 'n mis in die boonste laag, soos 'n wolk, en namate die druppels groter word, val hulle na die dieper binneland, & # 8221 het UC Berkeley-postdoktorale genoot Hugh Wilson, medeskrywer van 'n verslag gesê. wat hierdie week in die joernaal verskyn Fisiese oorsigbriewe. & # 8220Neon los in die helium op en val daarmee saam. Ons studie koppel dus die waargenome ontbrekende neon in die atmosfeer aan 'n ander voorgestelde proses, heliumreën. & # 8221

Wilson se medeskrywer, Burkhard Militzer, UC Berkeley-assistent professor in aarde en planetêre wetenskap en sterrekunde, het opgemerk dat & # 8220rein & # 8221 - die waterdruppels wat op die aarde val - 'n onvolmaakte analogie is met wat in Jupiter en # 8217 atmosfeer. Die heliumdruppels vorm ongeveer 10.000 tot 13.000 kilometer (6.000-8.000 myl) onder die toppe van Jupiter se waterstofwolke, onder druk en temperatuur so hoog dat & # 8220jy nie kan sien of waterstof en helium 'n gas of 'n vloeistof is nie, & # 8221 het hy gesê. Hulle is almal vloeistowwe, so die reën is regtig druppels vloeibare helium gemeng met neon wat deur 'n vloeistof van metaalwaterstof val.

Die voorspelling van die navorsers sal volgens Wilson help om die modelle van die Jupiter-binneland en die interieur van ander planete te verfyn. Die modellering van planetêre interieurs het 'n warm navorsingsgebied geword sedert die ontdekking van honderde buite-solare planete wat in uiterste omgewings rondom ander sterre woon. Die studie sal ook relevant wees vir NASA se Juno-missie na Jupiter, wat na verwagting volgende jaar van stapel gestuur word.

Militzer en Wilson tel onder die modelleerders en gebruik & # 8220density functionele teorie & # 8221 om die eienskappe van Jupiter se binnekant te voorspel, spesifiek wat gebeur met die dominante bestanddele - waterstof en helium - namate die temperatuur en druk na die middelpunt van die planeet toeneem. Hierdie toestande is nog te ekstrem om in die laboratorium weergegee te word. Selfs eksperimente in diamant-aambeeld-selle kan slegs druk op die aarde se kern produseer. In 2008 het Militzer se rekenaarsimulasies gelei tot die gevolgtrekking dat Jupiter se rotsagtige kern omring word deur 'n dik laag metaan-, water- en ammoniakys wat dit twee keer so groot maak as vroeëre voorspellings.

Die twee modelleerders het hul huidige ondersoek begin weens 'n ontdekking deur die Galileo-sonde wat in 1995 deur die atmosfeer van Jupiter neergedaal het en die metings van temperatuur, druk en elementêre oorvloed teruggestuur het totdat dit onder die gewig van die atmosfeer vergruis is. Dit lyk asof alle elemente so effens verryk is in vergelyking met die oorvloed op die son - wat vermoedelik soortgelyk is aan die elementêre oorvloed 4,56 miljard jaar gelede toe die sonnestelsel gevorm het - behalwe helium en neon. Neon het opgeval omdat dit een tiende so volop was as in die son.

Hul simulasies het getoon dat die enigste manier waarop neon uit die boonste atmosfeer verwyder kan word, is om dit met helium uit te val, aangesien neon en helium maklik meng, soos alkohol en water. Militzer en Wilson se berekeninge dui daarop dat waterstof in 'n geleidende metaal op ongeveer 10.000 tot 13.000 kilometer in die planeet, waar die temperatuur ongeveer 5.000 grade Celsius en die druk 1 tot 2 miljoen keer die atmosferiese druk op die aarde is, verander. Helium, nog nie 'n metaal nie, meng nie met metaalwaterstof nie, dus vorm dit druppels, soos druppels olie in water.

Dit het 'n verduideliking gegee vir die verwydering van neon uit die boonste atmosfeer.

& # 8220As die helium en die neon dieper in die planeet val, word die oorblywende waterstofryke omhulsel stadig van beide neon en helium uitgeput, "het Militzer gesê. & # 8220Die gemete konsentrasies van albei elemente stem kwantitatief ooreen met ons berekeninge. & # 8221

Saturnus en heliumreën is voorspel as gevolg van 'n ander waarneming: Saturnus is warmer as wat dit moes wees, gebaseer op sy ouderdom en voorspelde koeltempo. Die reën wat val, stel hitte vry wat die verskil verteenwoordig.

Die temperatuur van Jupiter stem ooreen met die modelle van die verkoelingstempo en die ouderdom daarvan, en het geen hipotese van heliumreën nodig gehad tot die ontdekking van neonuitputting in die atmosfeer nie. Interessant genoeg het die teoretikus David Stevenson van die California Institute of Technology (Caltech) die neonuitputting op Jupiter voorspel voor die Galileo-sonde en metings, maar nooit 'n rede vir sy raaiskoot gepubliseer nie.

Die werk is ondersteun deur die National Aeronautics and Space Administration en die National Science Foundation, met superrekenaars wat deur die National Energy Research Scientific Computing Centre by die Lawrence Berkeley National Laboratory aangebied word.

Die Fisiese oorsigbriefse artikel, wat nou aanlyn is, verskyn in die gedrukte uitgawe van 26 Maart.


Heliumreën val waarskynlik binne Jupiter en Saturnus, toon studie

Krediet: NASA / JPL / Space Science Institute.

Wetenskaplikes het die voorspelling byna 40 jaar gelede gemaak, maar die eksperimentele toestande wat nodig is om die hipotese te toets, is nie moontlik nie.

Die nuwe artikel in Nature onthul bewyse wat toon dat heliumreën moontlik is oor 'n reeks druk- en temperatuurtoestande, wat diegene weerspieël wat na verwagting binne planete soos Jupiter en Saturnus sal voorkom.

Heliumreën is heliumdruppels wat deur vloeibare metaalwaterstof val, soos reëndruppels water wat deur die atmosfeer op die aarde val.

Die ontdekking sal wetenskaplikes help om vas te stel hoe sulke planete vorm en belangrike insig te gee in die evolusie van die aarde en die sonnestelsel.

"Ons eksperimente dui daarop dat heliumdruppels diep binne-in Jupiter en Saturnus deur 'n massiewe see van vloeibare metaalwaterstof val," sê Gilbert (Rip) Collins, professor in meganiese ingenieurswese en mede-direkteur van wetenskap, tegnologie en akademici aan die Laboratorium vir Laser Energetics (LLE) aan die Universiteit van Rochester.

'Dit is 'n wonderlike ding om aan te dink die volgende keer as jy in die naghemel na Jupiter opkyk.

Hierdie werk sal ons help om die aard en evolusie van Jupiter beter te begryp, wat veral belangrik is, aangesien daar al lank gedink word dat Jupiter 'n ruimtelike vullisverwyderaar was - wat ons planeet in die sonnestelsel beskerm. '

Om die druk- en temperatuurtoestande te bereik wat binne planete soos Saturnus en Jupiter verwag word, het die navorsers helium- en waterstofmengsels in 'n diamant-aambeeldsel voorgedruk tot ongeveer 40.000 keer die druk van die Aarde se atmosfeer.

Daarna het hulle die Omega Laser by die Omega Laser-fasiliteit van die LLE gestuur om sterk skokgolwe in die monsters te loods om dit verder saam te pers en tot 'n paar duisend grade te verhit.

Met behulp van 'n reeks vinnige diagnostiese instrumente het die span die skoksnelheid, die optiese weerkaatsingsvermoë van die skok-saamgeperste monster en die termiese emissie daarvan gemeet, en gevind dat die weerkaatsingsvermoë van die monster nie glad gestyg het met toenemende skokdruk nie, net soos die in die meeste monsters het die navorsers met soortgelyke metings bestudeer.

In plaas daarvan het hulle diskontinuïteite gevind in die waargenome reflektiewe sein, wat aandui dat die elektriese geleidingsvermoë van die monster skielik verander, 'n handtekening dat die helium- en waterstofmengsel skei.

Wanneer die helium van die waterstof skei, vorm dit druppels - soos druppels olie wat in 'n mengsel van olie en water vorm - en kan die helium neerslaan in heliumreën.

Numeriese simulering van die ontmengingsproses is moeilik as gevolg van subtiele kwantumeffekte, maar die eksperimente wat deur die navorsers uitgevoer word, bied 'n kritieke maatstaf vir toekomstige teorie en numeriese simulasies.

Die span sal voortgaan om hul metings te verfyn om sodoende 'n beter begrip van materiale in uiterste toestande te verbeter.

Bykomende navorsers kom van die Lawrence Livermore National Laboratory, die Franse Kommissie vir Alternatiewe Energies en Atoomenergie (CEA) en die Universiteit van Kalifornië, Berkeley.

Lawrence Livermore se laboratoriumgerigte navorsings- en ontwikkelingsprogram, die National Science Foundation Physics Frontier-program en die Departement van Energie se kantoor vir wetenskap het die werk befonds.


Metaal helium in massiewe planete

Die meeste planetêre bestanddele in die heelal is waterstof en helium. In ons eie sonnestelsel word beraam dat & gt70% van die planetêre massa hierdie vorm het, waarvan die meeste in Jupiter woon en die meeste daarvan in 'n metaalagtige toestand. Die waarskynlike metaaltoestand van waterstof by hoë druk is lankal erken (1), hoewel die presiese aard van hierdie toestand en die eienskappe daarvan steeds bespreek word (2). Helium, daarenteen, word algemeen beskou as 'n huiwerige partner vir waterstof teen hoë druk omdat die verwagte metalliseringsdruk by lae temperatuur baie hoog is, miskien ongeveer 100 Megabars (Mbar) of meer. Ter vergelyking, die hoogste druk in die waterstofheliumgedeelte van Jupiter is miskien net 40 of so Mbar (3). Dit dui daarop dat die grootste deel van Jupiter se binnekant bestaan ​​uit 'n mengsel van metaalwaterstofvloeistof (protone in 'n ontaarde elektronsee) en neutrale heliumatome, met laasgenoemde ongeveer 'n kwart van die massa, maar slegs 7% van die kerne volgens getal (Fig. . 1). In hierdie uitgawe van PNAS toon Stixrude en Jeanloz (4) dat bandsluiting in suiwer helium by laer druk plaasvind as wat voorheen gedink is, mits die effek van hoë temperature in ag geneem word. Dit dui daarop dat helium as 'n metaal optree, ten minste by die hoogste druk wat in Jupiter voorkom en miskien oor 'n wyer verskeidenheid druk in die baie, baie warmer, planete van die massa van Jupiter en groter, wat blykbaar algemeen in die heelal voorkom (5 ). Die volledige termodinamiese en vervoer-eienskappe van die betrokke mengsels kan nie afgelei word van die gedrag van die eindelemente nie (suiwer waterstof en suiwer helium) en is dus 'n navorsingsgebied.

Deursnee-aansig van Jupiter.

Planete is "koud" in die sin dat die energieë van die elektrone, óf as gebonde toestande óf as 'n ontaarde elektrongas, groot is in vergelyking met termiese energieë. 'N Tipiese interne temperatuur van Jupiter is byvoorbeeld 10 000 K, wat ooreenstem met kBT ∼ 1 eV, terwyl die laedrukbandgaping in helium ~ 20 eV is. Planete kan egter warm wees in vergelyking met die smeltpunt of Debye-temperatuur. Alle reuse-planete binne en buite ons sonnestelsel sal waarskynlik deurgaans in 'n vloeibare toestand verkeer (met die moontlike uitsondering van 'n sentrale kern van swaarder elemente). Vir baie jare word aanvaar dat hierdie enorme verskil in energieskaale dit sou regverdig om leiding te verkry van lae-temperatuur- of nul-temperatuurresultate, sodat die isolerende toestand van T = 0 K helium by hoë druk kan aanvaar word dat dit relevant is, alhoewel die planeet in 'n vloeibare toestand was. Terugskouend was dit nie 'n besonder goeie aanname nie. Ons weet al lank dat die skerp gedefinieerde bandgaping van 'n kristal 'n dikwels veel kleiner beweeglikheidsgaping word (of geen gaping nie) in 'n vloeibare of amorfe materiaal. Die wisselwerking van struktuur met elektroniese karakter is dus intiem en word nie maklik verstaanbaar deur 'n eenvoudige vergelyking van kBT met tipiese elektroniese energieë, al hou die onderliggende aanname van elektronedegenerasie steeds vas. Soos Stixrude en Jeanloz (4) bespreek, het eksperimente die afgelope dekade al twyfel getrek oor 'n eenvoudige prentjie waarin eindige temperatuureffekte slegs 'n klein regstelling is vir die nultemperatuur elektroniese struktuur en staatsvergelyking. Waterstof is so 'n voorbeeld, aangesien die elektriese geleidingsvermoë dramaties styg teen ongeveer 1 Mbar (2) en 'n temperatuur van enkele duisende grade, terwyl die kamertemperatuur waterstof teen dieselfde druk isoleer. Waterstof het egter die bykomende komplikasie van molekulêre dissosiasie, terwyl helium relatief eenvoudig moet wees.

Hierdie nuutste berekeninge gebruik molekulêre dinamika, maar met die elektroniese struktuur wat bepaal word deur die digtheid funksionele teorie. Alhoewel digtheidsfunksionele teorie nie kwantummeganika van die eerste beginsel is nie, het dit 'n gevestigde vermoë om akkurate resultate te lewer as dit met voldoende rekenaarkrag uitgevoer word. Hierdie gebied van berekening vorder in 'n indrukwekkende tempo, nie soseer deur fundamentele deurbrake as deur die groei van berekeningsbronne nie. (Molekulêre dinamika bestaan ​​al vir baie dekades, en digtheid funksionele teorie bestaan ​​ook al 'n paar dekades). Stixrude en Jeanloz (4) argumenteer oortuigend dat hul resultate 'n merkbare verbetering in vergelyking met vorige werk verteenwoordig.

Wat is die gevolge vir reuse-planete? Die outeurs se resultate is beslis die belangrikste vir planete wat massiewer is, of met 'n hoër spesifieke entropie, as Jupiter, en daar is baie sulke planete. Die verkoeling van reuse-planete vanaf hul aanvanklike warm toestand word beïnvloed deur hul grootte (3) (massiewe planete het 'n hoër spesifieke entropie op 'n gegewe ouderdom, ander faktore is gelyk), maar ook deur hul eksterne omgewing ("warm Jupiters" is naby hul ouersterre en word sodoende verhoed om doeltreffend af te koel). Maar selfs in Jupiter kan die resultate betekenis hê vir die gedrag van die dieper streke, waar die temperatuur miskien 15.000 K is en die druk & GT10 Mbar is (baie dieper as die konvensionele definisie van waar Jupiter metaal word). Metallisering sal die termodinamika verander deur die druk-digtheidsverhouding, maar ook deur die manier waarop die temperatuur met die digtheid langs 'n isentroop toeneem - die verwagte toestand vir 'n konvektiewe planeet. Laasgenoemde word gekenmerk deur die Gruneisen γ, 'n dimensielose parameter tipies van orde-eenheid. 'N Mens kan verwag dat 'n beduidende afname in γ sou wees as 'n temperatuurverhoging drukionisasie bevorder (in werklikheid die energie opsuig om die elektroniese toestand te verander eerder as die beweging van die atome). Stixrude en Jeanloz (4) sien slegs 'n beskeie effek in γ. Natuurlik kan die werklike gevolge vir 'n reuse-planeet slegs beoordeel word deur die eienskappe van 'n waterstof-heliummengsel te bereken. Onlangse navorsing (6) het waterstof-heliummengsels op 'n soortgelyke berekeningsvlak ondersoek, en meer werk word tans gedoen.

Die interessantste kwessie wat deur Stixrude en Jeanloz (4) geopper is, is die oplosbaarheid van helium in waterstof. Salpeter (7) proposed that the formation of helium raindrops in planets such as Jupiter and Saturn might provide an ongoing source of energy release in addition to that provided by secular cooling from an initial hot state. In the first serious attempt to calculate the thermodynamic properties of hydrogen–helium mixtures (8), it was assumed that each helium atom contributed both its electrons to a nearly uniform Fermi sea, and it was found that limited solubility is driven by the difference in nuclear charge, not by the possibility that helium is neutral. Indeed, subsequent work (9) confirmed that in the asymptotic high-pressure limit, helium and hydrogen should phase-separate at sufficiently low temperature, perhaps around 5,000 K or so. This limit can be thought of as a classical “plasma” of protons and alpha particles in a uniform neutralizing background of electrons. However, it subsequently became common practice to appeal to the likelihood that helium insolubility was driven by the electronically unfavorable environment of neutral helium atoms in an electron sea provided by metallized hydrogen. Indeed, the low solubility of noble gases in metals can be thought of as arising from a repulsive pseudopotential (10) (the cost of orthogonalizing the itinerant electronic states to the bound states on the helium atom). Stixrude and Jeanloz provide a basis for the unlikely applicability of this view—at least at the highest temperatures in the giant planets—but because the estimates for insolubility are at lower temperatures, it is unclear whether this answers the question. As for the planets themselves, there is some evidence of insolubility operating in Jupiter, although the effect on composition, evolution, and structure is weak at best. The best evidence (11) is indirect: Neon was observed by the Galileo probe to be depleted in the atmosphere of Jupiter by an order of magnitude relative to solar abundance, and this is most reasonably explained by the partitioning of neon into helium raindrops. Certainly there is a need to understand neon better—not so much as pure neon but as a dilute mix of neon atoms in the environment provided by metallic hydrogen. Saturn may still the best case for a large effect of helium rain-out, but there is currently no direct and reliable means of measuring helium in Saturn's atmosphere by remote sensing. We need the equivalent of the Galileo probe, planted in Saturn.

Band closure in pure helium occurs at lower pressures than previously thought.

The past decade has seen a remarkable upsurge in information about planets outside our solar system, along with the recognition that Jupiter may hold clues to many aspects of the origin and structure of our own system, including the existence and nature of Earth. We can look forward to additional contributions to these important scientific questions through first-principles (or nearly first-principles) quantum mechanical calculations, and also through experiments and space exploration.


Author information

Affiliations

Institute for Computational Science, Center for Theoretical Astrophysics and Cosmology, University of Zurich, Zurich, Switzerland

IBM Quantum, IBM Research — Zurich, Rüschlikon, Switzerland

Institut für Physik, Universität Rostock, Rostock, Germany

You can also search for this author in PubMed Google Scholar

You can also search for this author in PubMed Google Scholar

You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Contributions

All authors contributed to all aspects of this article.

Corresponding author


Kyk die video: Jupiter V. Science Experiment #1. Oil and Water (November 2022).