« La pluie d’hélium est réelle! » Des expériences ont prouvé la possibilité de pluies d’hélium à l’intérieur de Jupiter et de Saturne

Une équipe de recherche internationale, comprenant des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory, a validé une prédiction vieille de près de 40 ans et a montré expérimentalement que des pluies d’hélium sont possibles à l’intérieur de planètes telles que Jupiter et Saturne (photo). Crédit d’image: NASA / JPL / Space Science Institute

Il y a près de 40 ans, les scientifiques ont prédit pour la première fois que la pluie d’hélium existerait à l’intérieur de planètes composées principalement d’hydrogène et d’hélium, telles que Jupiter Et le Saturne. Cependant, le respect des conditions expérimentales nécessaires pour valider cette hypothèse n’a pas été possible – jusqu’à présent.

Dans une recherche publiée le 26 mai 2021 par natureLes scientifiques découvrent des preuves expérimentales pour soutenir cette prévision à long terme, démontrant que les pluies d’hélium sont possibles dans une gamme de conditions de pression et de température qui reflètent celles attendues sur ces planètes.

«Nous avons découvert que la pluie d’hélium est réelle et qu’elle peut se produire à la fois à Jupiter et à Saturne», a déclaré Marius Milot, physicien au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et co-auteur de l’article. « Ceci est important pour aider les scientifiques planétaires à déchiffrer comment ces planètes se sont formées et ont évolué, et il est essentiel de comprendre comment le système solaire s’est formé. »

Ajout de Raymond Genlose, co-auteur et professeur de sciences de la Terre et planétaires et d’astronomie Université de Californie, Berkeley. « Nous pourrions être ici à cause de Jupiter. »

L’équipe de recherche internationale, qui comprenait des scientifiques du LLNL, de l’Association française pour les énergies alternatives et l’énergie atomique, de l’Université de Rochester et de l’Université de Californie à Berkeley, a mené ses expériences au Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester (LLE).

«Le couplage de la compression statique et des chocs laser est essentiel pour nous permettre d’accéder à des conditions similaires aux conditions internes de Jupiter et de Saturne, mais c’est un énorme défi», a déclaré Melott. « Nous avons vraiment dû travailler sur la technologie pour obtenir des preuves convaincantes. Cela a pris de nombreuses années et beaucoup de créativité de la part de l’équipe. »

L’équipe a utilisé des cellules à enclume en diamant pour comprimer un mélange d’hydrogène et d’hélium à 4 gigapascals (GPa; environ 40000 fois celui de l’atmosphère terrestre). Ensuite, les scientifiques ont utilisé 12 faisceaux géants de lasers oméga LLE pour émettre de puissantes ondes de choc pour comprimer l’échantillon à des pressions finales de 60 à 180 GPa et le chauffer à plusieurs milliers de températures. une Une approche similaire C’était la clé de la découverte de la glace d’eau super-ionique.

À l’aide d’une série d’outils de diagnostic ultra-rapides, l’équipe a mesuré la vitesse de choc, la réflexion optique et l’émission de chaleur de l’échantillon comprimé par choc, et a constaté que la réflexion de l’échantillon n’augmentait pas aussi doucement avec une pression de choc accrue, comme dans la plupart des cas. échantillons. Les chercheurs ont étudié avec des mesures similaires. Au lieu de cela, ils ont trouvé des discontinuités dans le signal de réflexion observé, ce qui indique que la conductivité électrique de l’échantillon change brusquement, ce qui indique la séparation du mélange d’hélium et d’hydrogène. Dans une feuille Publié en 2011Les scientifiques du LLNL Sebastian Hamel, Miguel Morales et Erik Schweigler ont proposé d’utiliser des changements de réflexion optique comme sonde pour le processus de démodulation.

« Nos expériences révèlent des preuves empiriques pour la prévision à long terme: il existe une gamme de pressions et de températures auxquelles ce mélange devient instable et mélangé », a déclaré Melott. «Cette transformation a lieu dans des conditions de pression et de température proches de celles nécessaires pour convertir l’hydrogène Dans un liquide métalliqueL’image évidente est que la métallisation de l’hydrogène supprime le mélange. « 

Simuler ce processus de mélange est un défi numérique en raison des effets quantitatifs subtils. Ces expériences fournissent une norme critique pour la théorie et la simulation numérique. Tournée vers l’avenir, l’équipe continuera d’affiner la mesure et de l’étendre à d’autres formules dans une quête permanente pour améliorer notre compréhension des matériaux dans des conditions extrêmes.

La référence: «Preuve de non-mélange d’hydrogène et d’hélium dans les conditions intérieures de Jupiter» Par S. Brygoo, P. Loubeyre, M. Millot, JR Rygg, PM Celliers, JH Eggert, R. Janloz et GW Collins, 26 mai , 2021, nature.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03516-0

Les travaux ont été financés par un programme de recherche et développement dirigé du Laboratoire LLNL et du Bureau des sciences du Département de l’énergie. Outre Millot et Jeanloz, les collaborateurs incluent Stephanie Brygoo et Paul Loubeyre du CEA; Peter Sellers et John Egert de LLNL; Ryan Rigg et Gilbert Collins de l’Université de Rochester.