För nästan 40 år sedan, Forskare förutspådde först förekomsten av heliumregn inuti planeter som huvudsakligen består av väte och helium, som Jupiter och Saturnus. Dock, att uppnå de experimentella villkor som krävs för att validera denna hypotes har inte varit möjligt - förrän nu.

I en tidning publicerad idag av Natur , forskare avslöjar experimentella bevis för att stödja denna långvariga förutsägelse, visar att heliumregn är möjligt över ett intervall av tryck- och temperaturförhållanden som speglar de som förväntas inträffa inuti dessa planeter.

"Vi upptäckte att heliumregn är verkligt, och kan förekomma både i Jupiter och Saturnus, sa Marius Millot, en fysiker vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och medförfattare till publikationen. "Detta är viktigt för att hjälpa planetforskare att dechiffrera hur dessa planeter bildades och utvecklades, vilket är avgörande för att förstå hur solsystemet bildades."

"Jupiter är särskilt intressant eftersom det tros ha hjälpt till att skydda den inre planetregionen där jorden bildades, " tillade Raymond Jeanloz, medförfattare och professor i jord- och planetvetenskap och astronomi vid University of California, Berkeley. "Vi kan vara här på grund av Jupiter."

Det internationella forskarteamet, som inkluderade forskare från LLNL, den franska kommissionen för alternativ energi och atomenergi, University of Rochester och University of California, Berkeley, genomförde sina experiment vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE).

"Att koppla statisk kompression och laserdrivna stötar är nyckeln för att vi ska kunna nå förhållanden som är jämförbara med Jupiters och Saturnus inre, men det är väldigt utmanande, ", sade Millot. "Vi måste verkligen arbeta på tekniken för att få övertygande bevis. Det tog många år och mycket kreativitet från laget."

Teamet använde diamantstädceller för att komprimera en blandning av väte och helium till 4 gigapascal, (GPa; cirka 40, 000 gånger jordens atmosfär). Sedan, forskarna använde 12 gigantiska strålar av LLE:s Omega Laser för att starta starka stötvågor för att ytterligare komprimera provet till sluttryck på 60-180 GPa och värma det till flera tusen grader. Ett liknande tillvägagångssätt var nyckeln till upptäckten av superionisk vattenis.

Med hjälp av en serie ultrasnabba diagnostiska verktyg, laget mätte stöthastigheten, den optiska reflektionsförmågan hos det stötkomprimerade provet och dess termiska emission, fann att reflektionsförmågan hos provet inte ökade jämnt med ökande stöttryck, som i de flesta prover forskarna studerade med liknande mätningar. Istället, de hittade diskontinuiteter i den observerade reflektionssignalen, som indikerar att provets elektriska ledningsförmåga förändrades abrupt, en signatur av helium- och väteblandningen som separerar. I en tidning publicerad 2011, LLNL-forskare Sebastien Hamel, Miguel Morales och Eric Schwegler föreslog att man skulle använda förändringar i den optiska reflektiviteten som en sond för avblandningsprocessen.

"Våra experiment avslöjar experimentella bevis för en långvarig förutsägelse:Det finns ett antal tryck och temperaturer vid vilka denna blandning blir instabil och demixar, " sade Millot. "Denna övergång sker vid tryck- och temperaturförhållanden nära det som behövs för att omvandla väte till en metallisk vätska, och den intuitiva bilden är att vätemetalliseringen utlöser avblandningen."

Att numeriskt simulera denna avblandningsprocess är utmanande på grund av subtila kvanteffekter. Dessa experiment utgör ett kritiskt riktmärke för teori och numeriska simuleringar. Blickar framåt, teamet kommer att fortsätta att förfina mätningen och utöka den till andra kompositioner i den fortsatta strävan efter att förbättra vår förståelse av material under extrema förhållanden.