Ci sono giganti tra noi, giganti del gas e del ghiaccio per essere precisi. orbitano intorno alla stessa stella, ma le loro condizioni ambientali e la loro composizione chimica sono molto diverse da quelle della Terra. Questi enormi pianeti:Giove, Saturno, Nettuno e Urano possono essere visti come laboratori naturali per la fisica della materia a temperature e pressioni estreme.

Ora, un team internazionale che include scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha sviluppato una nuova configurazione sperimentale per misurare come gli elementi chimici si comportano e si mescolano in profondità all'interno di giganti ghiacciati, che potrebbe offrire spunti sulla formazione e l'evoluzione dei sistemi planetari. Ciò che apprendono potrebbe anche guidare gli scienziati che sperano di sfruttare la fusione nucleare, che produce condizioni simili a quelle del nostro sole, come nuova fonte di energia. I loro risultati sono stati pubblicati la scorsa settimana in Comunicazioni sulla natura .

Mescolando

In precedenti esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC per ottenere il primo sguardo dettagliato sulla creazione di "materia calda e densa, "un super caldo, una miscela supercompressa ritenuta essere il cuore di questi enormi pianeti. Sono stati anche in grado di raccogliere prove per "pioggia di diamanti, " una precipitazione esotica prevista per formarsi da miscele di elementi nelle profondità dei giganti ghiacciati.

Fino ad ora, i ricercatori hanno usato una tecnica chiamata diffrazione dei raggi X per studiarlo, scattare una serie di istantanee di come i campioni rispondono alle onde d'urto prodotte dal laser che imitano le condizioni estreme che si trovano in altri pianeti. Questa tecnica funziona bene per i campioni di cristallo ma è meno efficace per i campioni non di cristallo le cui molecole e atomi sono disposti in modo più casuale, che limita la profondità di comprensione che gli scienziati possono raggiungere. In questo nuovo documento, il team ha utilizzato una tecnica chiamata diffusione di raggi X Thomson che riproduce con precisione i precedenti risultati di diffrazione, consentendo loro anche di studiare come gli elementi si mescolano in campioni non cristallini in condizioni estreme.

"Questa ricerca fornisce dati su un fenomeno molto difficile da modellare computazionalmente:la 'miscibilità' di due elementi, o come si combinano quando mescolati, " dice il direttore di LCLS Mike Dunne. "Qui vedono come due elementi si separano, come far separare la maionese in olio e aceto. Ciò che apprendono potrebbe offrire informazioni su un modo chiave in cui la fusione fallisce, in cui il guscio inerte di una capsula si mescola con il combustibile di fusione e lo contamina in modo che non bruci."

10, 000 chilometri di profondità

In questo più recente esperimento, i raggi laser ottici hanno lanciato un'onda d'urto in un campione di plastica composto da carbonio e idrogeno. Mentre l'onda d'urto si muoveva attraverso il materiale, i ricercatori lo hanno osservato colpendo le regioni sottoposte a shock con fotoni a raggi X di LCLS che hanno disperso sia indietro che in avanti gli elettroni nel campione.

"Una serie di fotoni sparsi ha rivelato le temperature e le pressioni estreme raggiunte nel campione, che imitano quelli trovati 10, 000 chilometri sotto la superficie di Urano e Nettuno, ", afferma lo scienziato e coautore dello SLAC Eric Galtier. "L'altro ha rivelato come gli atomi di idrogeno e di carbonio si sono separati in risposta a queste condizioni".

Andando più a fondo

I ricercatori sperano che la tecnica consentirà loro di misurare il mix microscopico di materiali utilizzati negli esperimenti di fusione in generale, laser ad alta energia come il National Ignition Facility presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) del DOE.

"Vogliamo capire se questo processo potrebbe verificarsi nelle implosioni di fusione a confinamento inerziale con capsule di plastica ablatore, in quanto genererebbe fluttuazioni che potrebbero aumentare e degradare le prestazioni di implosione, " disse Tilo Doeppner, Fisico LLNL e coautore dell'articolo.

Seguire, il team prevede di ricreare condizioni ancora più estreme che si trovano più in profondità all'interno dei giganti ghiacciati, e studiare campioni che contengono altri elementi per capire cosa succede in altri pianeti.

"Questa tecnica ci permetterà di misurare processi interessanti altrimenti difficili da ricreare, "dice Dominik Kraus, uno scienziato dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf che ha guidato lo studio. "Per esempio, potremo vedere come l'idrogeno e l'elio, elementi trovati all'interno di giganti gassosi come Giove e Saturno, mescolare e separare in queste condizioni estreme. È un nuovo modo di studiare la storia evolutiva dei pianeti e dei sistemi planetari, oltre a sostenere esperimenti verso potenziali forme future di energia da fusione".