Quasi 40 anni fa, gli scienziati hanno predetto per la prima volta l'esistenza di pioggia di elio all'interno di pianeti composti principalmente da idrogeno ed elio, come Giove e Saturno. Però, raggiungere le condizioni sperimentali necessarie per convalidare questa ipotesi non è stato possibile, fino ad ora.

In un articolo pubblicato oggi da Natura , scienziati rivelano prove sperimentali a sostegno di questa previsione di vecchia data, mostrando che la pioggia di elio è possibile in una gamma di condizioni di pressione e temperatura che rispecchiano quelle previste all'interno di questi pianeti.

"Abbiamo scoperto che la pioggia di elio è reale, e può verificarsi sia in Giove che in Saturno, " disse Marius Millot, un fisico al Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e coautore della pubblicazione. "Questo è importante per aiutare gli scienziati planetari a decifrare come si sono formati e si sono evoluti questi pianeti, che è fondamentale per capire come si è formato il sistema solare".

"Giove è particolarmente interessante perché si pensa abbia aiutato a proteggere la regione del pianeta interno in cui si è formata la Terra, " ha aggiunto Raymond Jeanloz, co-autore e professore di scienze della terra e planetarie e astronomia presso l'Università della California, Berkeley. "Potremmo essere qui a causa di Giove."

Il gruppo di ricerca internazionale, che includeva scienziati di LLNL, la Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica, l'Università di Rochester e l'Università della California, Berkeley, hanno condotto i loro esperimenti presso il Laboratory for Laser Energetics (LLE) dell'Università di Rochester.

"Accoppiare la compressione statica e gli shock azionati dal laser è la chiave per permetterci di raggiungere le condizioni paragonabili all'interno di Giove e Saturno, ma è molto impegnativo, " ha detto Millot. "Abbiamo dovuto lavorare davvero sulla tecnica per ottenere prove convincenti. Ci sono voluti molti anni e molta creatività da parte del team".

Il team ha utilizzato celle a incudine di diamante per comprimere una miscela di idrogeno ed elio a 4 gigapascal, (GPa; circa 40, 000 volte l'atmosfera terrestre). Quindi, gli scienziati hanno utilizzato 12 raggi giganti del laser Omega di LLE per lanciare forti onde d'urto per comprimere ulteriormente il campione a pressioni finali di 60-180 GPa e riscaldarlo a diverse migliaia di gradi. Un approccio simile è stato fondamentale per la scoperta del ghiaccio d'acqua superionico.

Utilizzando una serie di strumenti diagnostici ultraveloci, la squadra ha misurato la velocità d'urto, la riflettività ottica del campione compresso d'urto e la sua emissione termica, scoprendo che la riflettività del campione non aumentava gradualmente con l'aumento della pressione d'urto, come nella maggior parte dei campioni i ricercatori hanno studiato con misurazioni simili. Anziché, hanno trovato discontinuità nel segnale di riflettività osservato, che indicano che la conduttività elettrica del campione stava cambiando bruscamente, una firma della separazione della miscela di elio e idrogeno. In un articolo pubblicato nel 2011, Scienziati LLNL Sebastien Hamel, Miguel Morales ed Eric Schwegler hanno suggerito di utilizzare i cambiamenti nella riflettività ottica come sonda per il processo di demiscelazione.

"I nostri esperimenti rivelano prove sperimentali per una previsione di vecchia data:esiste una gamma di pressioni e temperature alle quali questa miscela diventa instabile e si demescola, " ha detto Millot. "Questa transizione avviene a condizioni di pressione e temperatura vicine a quelle necessarie per trasformare l'idrogeno in un fluido metallico, e l'immagine intuitiva è che la metallizzazione dell'idrogeno innesca la smiscelazione."

La simulazione numerica di questo processo di smistamento è impegnativa a causa dei sottili effetti quantistici. Questi esperimenti forniscono un punto di riferimento critico per la teoria e le simulazioni numeriche. Guardando avanti, il team continuerà a perfezionare la misurazione e ad estenderla ad altre composizioni nella continua ricerca di migliorare la nostra comprensione dei materiali in condizioni estreme.