Det finns jättar bland oss ​​– gas- och isjättar närmare bestämt. De kretsar kring samma stjärna, men deras miljöförhållanden och kemiska sammansättning skiljer sig mycket från jordens. Dessa enorma planeter – Jupiter, Saturnus, Neptunus och Uranus – kan ses som naturliga laboratorier för materiens fysik vid extrema temperaturer och tryck.

Nu, ett internationellt team som inkluderar forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory har utvecklat en ny experimentell uppsättning för att mäta hur kemiska element beter sig och blandas djupt inne i isiga jättar, som skulle kunna erbjuda insikter i bildandet och utvecklingen av planetsystem. Det de lär sig kan också vägleda forskare som hoppas kunna utnyttja kärnfusion, som skapar förhållanden som liknar dem i vår sol, som en ny energikälla. Deras resultat publicerades förra veckan i Naturkommunikation .

Blandar ihop det

I tidigare experiment, forskare använde SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser för att få den första detaljerade titten på skapandet av "varm tät materia, "en superhet, superkomprimerad blandning som tros vara i hjärtat av dessa enorma planeter. De kunde också samla bevis för "diamantregn, " en exotisk nederbörd som förutspås bildas från blandningar av element djupt inne i isiga jättar.

Tills nu, forskare använde en teknik som kallas röntgendiffraktion för att studera detta, tar en serie ögonblicksbilder av hur prover reagerar på laserproducerade stötvågor som efterliknar de extrema förhållanden som finns på andra planeter. Denna teknik fungerar bra för kristallprover men är mindre effektiv för icke-kristallprov vars molekyler och atomer är ordnade mer slumpmässigt, vilket begränsar djupet av förståelse forskare kan nå. I denna nya tidning, teamet använde en teknik som kallas röntgen Thomson-spridning som exakt återger tidigare diffraktionsresultat samtidigt som de tillät dem att studera hur element blandas i icke-kristalliska prover under extrema förhållanden.

"Denna forskning ger data om ett fenomen som är mycket svårt att modellera beräkningsmässigt:"blandbarheten" av två element, eller hur de kombineras när de blandas, " säger LCLS-direktör Mike Dunne. "Här ser de hur två element separeras, som att få majonnäs att separera tillbaka till olja och vinäger. Det de lär sig kan ge insikt i ett nyckelsätt på hur fusion misslyckas, där det inerta skalet på en kapsel blandas med fusionsbränslet och förorenar det så att det inte brinner."

10, 000 kilometer djup

I detta senaste experiment, optiska laserstrålar lanserade en stötvåg i ett plastprov bestående av kol och väte. När stötvågen rörde sig genom materialet, forskarna observerade det genom att träffa de chockade områdena med röntgenfotoner från LCLS som spreds både bakåt och framåt från elektroner i provet.

"En uppsättning spridda fotoner avslöjade de extrema temperaturer och tryck som uppnåddes i provet, som efterliknar de som hittades 10, 000 kilometer under Uranus och Neptunus yta, " säger SLAC-forskaren och medförfattaren Eric Galtier. "Den andra avslöjade hur väte- och kolatomerna separerade som svar på dessa förhållanden."

Går djupare

Forskarna hoppas att tekniken kommer att tillåta dem att mäta den mikroskopiska blandningen av material som används i fusionsexperiment i stort, högenergilasrar som National Ignition Facility vid DOE:s Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

"Vi vill förstå om denna process kan inträffa i tröghetsinneslutning fusion implosioner med plast ablator kapslar, eftersom det skulle generera fluktuationer som kan växa och försämra implosionsprestandan, sa Tilo Doeppner, LLNL fysiker och medförfattare på tidningen.

Att följa upp, teamet planerar att återskapa ännu mer extrema förhållanden som finns djupare inuti isiga jättar, och att studera prover som innehåller andra element för att förstå vad som händer på andra planeter.

"Denna teknik kommer att tillåta oss att mäta intressanta processer som annars är svåra att återskapa, säger Dominik Kraus, en vetenskapsman vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf som ledde studien. "Till exempel, vi kommer att kunna se hur väte och helium, element som finns i det inre av gasjättar som Jupiter och Saturnus, blanda och separera under dessa extrema förhållanden. Det är ett nytt sätt att studera den evolutionära historien om planeter och planetsystem, samt att stödja experiment mot potentiella framtida energiformer från fusion."