Jätteplaneter som Uranus och Neptunus kan innehålla mycket mindre fritt väte än vad man tidigare antagit. Forskare från tyska Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) körde stötvågor genom två typer av plast för att nå samma temperaturer och tryck som finns inuti sådana planeter, och observerade beteendet med hjälp av ultrastarka röntgenlaserpulser. Oväntat, en av dessa plaster behöll sin kristallina struktur även vid de mest extrema tryck som uppnåddes. Eftersom de isiga gigantiska interiörerna består av samma komponenter som plasten, planetmodeller kan behöva omprövas delvis, som rapporterats i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

Kol och väte är bland de vanligaste grundämnena i universum, och är huvudbeståndsdelar av isiga jätteplaneter som Uranus och Neptunus. I den yttre atmosfären, dessa atomer finns i form av metangas, men djupare inuti, högt tryck kan leda till mer komplexa kolvätestrukturer. Att förutsäga faserna och strukturerna som materialet tar vid dessa förhållanden är en av planetforskningens stora frågor.

För att bättre förstå strukturen hos isjättarna, ett internationellt team ledd av de två HZDR-forskarna, Dr Nicholas Hartley och Dr Dominik Kraus, undersökte två typer av plast i ett laboratorieförsök:polystyren och polyeten. Dessa material liknar i kemi kolvätet inuti planeterna. Vid SLAC National Accelerator Laboratory i USA, forskarna exponerade proverna för förhållanden som förutspåddes vara närvarande runt 10, 000 kilometer under ytan av Neptunus och Uranus. På detta djup, trycket är nästan lika högt som i jordens kärna och 2 miljoner gånger högre än atmosfärstrycket på jordens yta.

Nå extremt höga tryck

Vid så höga tryck och temperaturer, den enda möjliga strukturen som forskarna förväntade sig var diamant, eller att proverna skulle smältas. Istället, de observerade stabila kolvätestrukturer upp till de högsta uppnådda trycken, men endast för polyetenproverna. "Vi blev mycket förvånade över detta resultat, " säger Hartley. "Vi förväntade oss inte att det olika initiala tillståndet skulle göra så stor skillnad vid sådana extrema förhållanden. Det är bara nyligen, med utvecklingen av ljusare röntgenkällor, att vi kan studera dessa material. Vi var de första som trodde att det kunde vara möjligt - och det var det."

Eftersom de extrema förhållandena inuti isjättarna på jorden bara kan nås för en kort stund, forskarna behöver blixtsnabba mätmetoder. Det finns bara en handfull ultrasnabba röntgenlaseranläggningar över hela världen, och tid för mätningar är sällsynt och mycket efterfrågad. Kraus och Hartley tilldelades totalt tre 12-timmarsskift för sina experiment, och så var tvungen att använda varje minut för att utföra så många mätkörningar som möjligt. Att chocka provet och sonden med röntgenlasern tar bara några miljarddelar av en sekund.

Även under experimenten, forskarna kunde känna igen de första resultaten:"Vi var väldigt glada eftersom, som hoppats, polystyren bildade diamantliknande strukturer av kol. För polyeten, dock, vi såg inga diamanter för de förhållanden som uppnåddes i detta experiment. Istället, det fanns en ny struktur som vi först inte kunde förklara, " minns Hartley. Genom att jämföra data med tidigare resultat vid lägre tryck, de identifierade det som en stabil struktur av polyeten, som hade setts vid fem gånger lägre tryck, och endast vid omgivningstemperaturer.

Upptäckten visar vikten av att bättre karakterisera temperatur- och tryckförhållandena inuti isjättar, och kemin som dessa leder till, för att förstå deras struktur och fysikaliska egenskaper. Modeller av Uranus och Neptunus antar att de ovanliga magnetfälten på dessa planeter kan härröra från fritt väte, som dessa resultat kan antyda är mindre vanligt än förväntat. I framtiden, forskarna vill använda blandningar inklusive syre för att bättre matcha kemin inuti planeterna.