Используя рентгеновский лазер FLASH компании DESY, исследователи заглянули глубоко в нижние слои атмосферы газовых планет-гигантов, таких как Юпитер или Сатурн. Наблюдения группы, работающей с ведущим автором доктором Ульфом Застрау из Йенского университета, показывают, как жидкий водород превращается в плазму, и предоставляют информацию о теплопроводности материала и его внутреннем энергетическом обмене, которые являются важными компонентами планетарных моделей.
Ученые представляют свои эксперименты в пятничном выпуске научного журнала Physical Review Letters.
Атмосфера газовых гигантов состоит в основном из водорода, который является самым распространенным химическим элементом во Вселенной. «У нас очень мало экспериментальных данных о водороде внутри таких планет», - говорит Застрау. «И это несмотря на наши очень хорошие теоретические модели». Поэтому исследователи решили использовать холодный жидкий водород в качестве образца планетарной атмосферы. «Жидкий водород имеет плотность, соответствующую плотности нижних слоев атмосферы таких гигантских газовых планет», - объясняет Застрау. Ученые использовали рентгеновский лазер FLASH компании DESY для почти мгновенного нагрева жидкого водорода с минус 253 до примерно 12 000 градусов Цельсия и одновременно наблюдали за свойствами элемента в процессе нагревания.
Водород является простейшим атомом периодической таблицы, состоящим из одного протона в атомном ядре, вокруг которого вращается один электрон. Обычно водород представляет собой молекулу, состоящую из двух атомов. Импульс рентгеновского лазера первоначально нагревает только электроны. Они медленно передают свою энергию протонам, которые примерно в 2000 раз тяжелее, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Молекулярные связи при этом разрываются, и образуется плазма электронов и протонов. Хотя этот процесс требует многих тысяч столкновений между электронами и протонами, исследования показали, что тепловое равновесие достигается менее чем за одну триллионную долю секунды (пикосекунду).
Астрофизика в лаборатории
«Мы проводим экспериментальную лабораторную астрофизику», - объясняет Застрау. До сих пор исследователи полагались на математические модели для описания внутренней части газовых гигантов, таких как Юпитер. Важные параметры модели включают диэлектрические свойства водорода, например, тепло- и электропроводность, которые имеют решающее значение для правильного моделирования массивных, направленных наружу тепловых потоков в гигантских газовых планетах.
«Исследование выявило диэлектрические свойства жидкого водорода», - сообщает соавтор доктор. Филипп Сперлинг из Университета Ростока. «Когда вы знаете тепло- и электропроводность отдельных слоев водорода в атмосфере гигантской газовой планеты, вы можете рассчитать соответствующий температурный профиль». Эксперименты исследователей позволили им найти первую точку на фазовой диаграмме водорода. Эксперименты придется повторить при других температурах и давлениях, чтобы создать подробную картину всей планетарной атмосферы.
Исследование требует больших усилий, отчасти потому, что водород обычно не существует в жидкой форме на Земле. Чтобы сжижать газообразный водород, его сначала нужно охладить до минус 253 градусов по Цельсию. «Мы используем чрезвычайно чистый газообразный водород и пропускаем его через медный блок, охлаждаемый жидким гелием», - объясняет исследователь DESY доктор Свен Толейкис, член команды. «Во время этого процесса необходимо очень точно контролировать температуру. Если водород становится слишком холодным, он замерзает и блокирует линию», - говорит Толейкис. В таких случаях используется небольшой нагреватель для повторного сжижения водорода по мере необходимости. На конце медного блока сопло выступает как палец в экспериментальную вакуумную камеру. Из его наконечника вытекает тонкая струя жидкого водорода диаметром всего одна пятидесятая миллиметра (20 микрометров). Эта экспериментальная установка была разработана в ходе многолетнего сотрудничества Ростокского университета и DESY.
Супер-слоумо
Чтобы изучить свойства жидкого водорода при его испарении, исследователи направили интенсивные импульсы мягкого рентгеновского лазера FLASH компании DESY на тонкую струю. «Для эксперимента мы использовали уникальную способность FLASH разделять отдельные вспышки», - объясняет Толейкис. «Первая половина вспышки нагревает водород, а вторую половину мы используем для исследования его свойств». Используя блок разделения и задержки, который был разработан в сотрудничестве с Университетом Мюнстера и Центром Гельмгольца в Берлине, вторая половина вспышки преднамеренно задерживается на крошечную долю секунды (до 15 пикосекунд, т.е. триллионной доли секунды). Изучая систему таким образом с немного разными временами задержки, можно наблюдать, как устанавливается тепловое равновесие между электронами и протонами в водороде, подобно камере сверхзамедленного движения..
Интерпретация данных наблюдений, однако, не была простой. «Нам потребовалось много времени, чтобы понять, что на самом деле происходило в эксперименте», - говорит профессор Рональд Редмер, возглавляющий рабочую группу в Ростоке. Исследователи использовали теорию функционала плотности - стандартный инструмент квантовой физики, который используется для описания систем с большим количеством электронов - для моделирования процесса. Однако эта стандартная процедура не работает для систем с двумя разными температурами, как в эксперименте FLASH. «Прежде чем мы смогли правильно описать наблюдения, нам пришлось расширить теорию функционала плотности двухтемпературной моделью», - сообщил Редмер.
«Наш эксперимент показал нам, как можно исследовать плотную плазму с помощью рентгеновских лазеров», - говорит доктор. Томас Ченчер, научный руководитель европейского рентгеновского лазера XFEL, на котором эксперименты будут возможны в 2017 году. «Этот метод открывает дорогу для дальнейших исследований, например, более плотной плазмы более тяжелых элементов и смесей, поскольку они возникают внутри. Мы надеемся, что результаты дадут нам среди прочего экспериментально обоснованный ответ на вопрос, почему планеты, обнаруженные за пределами нашей Солнечной системы, не существуют во всех мыслимых комбинациях таких свойств, как возраст, масса, размер или элементный состав, но могут распределяться по определенным группам."
Помимо университетов Йены и Ростока и DESY, исследователи из исследовательских центров США SLAC National Accelerator Laboratory и Lawrence Livermore National Laboratory, Йенского института Гельмгольца, Оксфордского университета, GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research, Гамбургский центр сверхбыстрой визуализации (CUI), Университет Мюнстера и Европейский XFEL также приняли участие в исследовании. Работа была поддержана Федеральным министерством образования и исследований (BMBF) в рамках исследовательских тем (FSP) 301 и 302, а также VolkswagenStiftung стипендией Питера Пола Эвальда.
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY - ведущий немецкий ускорительный центр и один из ведущих в мире. DESY является членом Ассоциации Гельмгольца и получает финансирование от Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF) (90 процентов) и федеральных земель Германии Гамбург и Бранденбург (10 процентов). В своих офисах в Гамбурге и Цойтене недалеко от Берлина DESY разрабатывает, строит и эксплуатирует большие ускорители частиц и использует их для исследования структуры материи. Сочетание фотонной науки и физики элементарных частиц в DESY уникально для Европы.