40年前预测成真！科学家证实木星和土星内部或会“下氦雨”

近40年前，科学家们首次预测，木星和土星等主要由氢和氦组成的行星内存在氦雨。然而，直到现在，还无法达到验证这一假设所需的实验条件。

最新发表在《自然》杂志上的一篇论文中，科学家揭示了支持这一长期预测的实验证据，表明氦雨可能在一系列压力和温度条件下发生，这些条件与预期在这些行星内部发生的条件一致。

“我们发现氦雨是真实存在的，而且可能发生在木星和土星上。”劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的物理学家、该出版物的合著者马吕斯·米洛特(Marius Millot)说，“这对帮助行星科学家破解这些行星是如何形成和进化的很重要，这对理解太阳系是如何形成的至关重要。”

“木星特别有趣，因为它被认为有助于保护地球形成的内行星区域。”合著者、加州大学伯克利分校地球和行星科学与天文学教授雷蒙德·让罗兹补充说。

这个国际研究团队，包括来自LLNL、法国替代能源和原子能委员会、罗切斯特大学和加州大学伯克利分校的科学家，在罗切斯特大学激光能量实验室(LLE)进行了他们的实验。

“将静态压缩和激光驱动的冲击耦合在一起是让我们达到木星和土星内部可媲美的条件的关键，但这是非常具有挑战性的。” 米洛特说，“为了获得令人信服的证据，我们真的必须在技术上做出努力。这花了我们许多年的时间和团队的创造力。”

该团队使用钻石砧电池将氢和氦的混合物压缩到40吉帕斯卡(GPa；大约是地球大气层的40000倍)。然后，科学家们使用12束LLE的欧米茄激光发射强烈的冲击波，进一步压缩样本到60-180 GPa的最终压力，并将其加热到几千度。类似的方法是发现超离子水冰的关键。

通过一系列的超快诊断工具,研究小组测量了冲击速度，冲击压缩样本的光学反射率及其热发射特性,发现样品的反射率不顺利, 结果表明，样品的反射率并没有随着冲击压力的增加而平稳地增加。相反，他们在观测到的反射率信号中发现了不连续性，这表明样品的电导率发生了突然的变化，这是氦和氢混合物分离的标志。

在2011年发表的一篇论文中，LLNL的科学家塞巴斯蒂安·哈默尔(Sebastien Hamel)、米格尔·莫拉莱斯(Miguel Morales)和埃里克·施韦格勒(Eric Schwegler)建议使用光学反射率的变化来探测分离过程。

“我们的实验为一个长期的预测提供了实验证据：在一定的压力和温度范围内，这种混合物变得不稳定和分解。”米勒特说，“这种转变发生在接近氢转化为金属流体所需的压力和温度条件下，直观的情况是，氢金属化触发了分离。”

由于微妙的量子效应，数值模拟这种分离过程具有挑战性。这些实验为理论和数值模拟提供了一个关键的基准。展望未来，该团队将继续细化测量，并将其扩展到其他成分，以继续追求改善我们对极端条件下材料的理解。

前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：

https://phys.org/news/2021-05-validate-possibility-helium-jupiter-saturn.html