Temperaturen och trycket inuti Jupiter sträcker sig från cirka -100°C nära kanten till cirka 15, 000°C och 50m gånger jordens atmosfärstryck i mitten. Saturnus, Uranus och Neptunus är liknande tryckkokare. När vi går ner i Jupiter, vi kan se materia i gastillståndet, i flytande tillstånd och i en annan, mindre känd stat, kallas för "superkritisk vätska".

Att förstå superkritiska vätskor är inte bara viktigt för planetforskare, det används också i industriella processer som kraftproduktion och livsmedelsförädling.

När vi kokar vatten på jorden, den ändrar "fas" och går från vätska till gastillstånd. Detta beror på en plötslig dramatisk förändring i densiteten och andra egenskaper som kallas en "fasövergång". Dock, om du pressade vatten till 1, 000 gånger atmosfärstrycket och sedan värmt upp det samtidigt som trycket hålls på, du skulle inte längre observera kokning som sådan. Vattenmolekylerna skulle susa runt med mer energi, och densiteten skulle gradvis minska, men det skulle inte bli någon plötslig kokning (fasövergång). Det är detta som utgör det superkritiska vätsketillståndet – det är varken en vätska eller en gas.

Exakt hur vätskor och superkritiska vätskor beter sig har fått forskare att klia sig i huvudet i årtionden. Men ny forskning har belyst detta problem, väcker förhoppningar om att vi snart kan få en mycket bättre förståelse för vad som händer djupt inne i de gigantiska gasplaneterna.

Forskare har länge antagit att vätskor och superkritiska vätskor beter sig som täta gaser, med molekyler som ständigt rör sig fritt. Men på 1930-talet den ryske fysikern Yakov Iljitsj Frenkel ifrågasatte detta antagande, föreslår att de under vissa förhållanden istället skulle bete sig som fasta ämnen (där atomer sitter fast), förutom att atomerna ibland hoppar från plats till plats. Vi kan kalla vätskor och superkritiska vätskor under dessa förhållanden för "täta vätskor".

Ignorerad i decennier, detta tillvägagångssätt har fått ett andra liv under det senaste decenniet eftersom det framgångsrikt har använts för att förutsäga värmekapaciteten hos vätskor. Värmekapacitet är en avgörande egenskap hos vätskor, bestämma hur värme lagras och strömmar runt planeter, kraftverk och allt däremellan.

En skiljelinje ("Frenkel-linjen") bör därför dras, upp till godtyckligt höga tryck och temperaturer, mellan förhållanden där täta vätskor beter sig på samma sätt som gaser, och förhållanden där Frenkels tillvägagångssätt – som antar liknande beteende som fasta ämnen – är giltigt. Men hur ska linjen definieras? Hur plötsligt är det? Dessa frågor måste lösas genom experiment.

Kraftfulla experiment

Det här året, två banbrytande studier har publicerats där denna linje har kartlagts från observationer. I den första studien, en av de mest kraftfulla synkrotronljuskällorna i världen (den avancerade fotonkällan nära Chicago) användes för att fastställa trycket – 6, 500 gånger jordens atmosfär – där en av de mest fundamentala modellvätskorna, superkritisk neon, börjar bete sig som en tät vätska enligt modell av Frenkel.

I den andra studien, data från en annan kraftfull röntgenkälla (European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble) kombinerades med mätningar i mitt laboratorium i Manchester för att fastställa hur atomerna i metanmolekyler vibrerar för att göra en liknande observation. Vi fann att metanet börjar bete sig som en tät vätska vid cirka 2, 000 atmosfärers tryck.

Vi fann att ett viktigt bevis i pusslet redan fanns i litteraturen, går tillbaka till 1986; en demonstration av att vibrationerna i gasformig metan beter sig på helt motsatt sätt mot vibrationer som vi är vana vid att se i täta vätskor och fasta ämnen. Dess betydelse hade helt enkelt inte erkänts.

Vår studie hade en extra bonus jämfört med neonstudien – metan finns överallt i vårt solsystem. Gasjättarna Uranus och Neptunus är fulla av det, och att förstå metan kanske kommer att svara på många av de mysterier som dessa planeter utgör. Planetforskare har tappat sömn i decennier på grund av frågor som hur sammansättningen förändras när du gräver ner i Uranus och Neptunus och om Uranus yta verkligen är den kallaste platsen i solsystemet.

Förhoppningen är nu att tillämpa dessa nya resultat på materiens flytande och superkritiska flytande tillstånd för att svara på dessa och andra långvariga mysterier.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.