بارش هلیوم در مشتری و زحل پس از ۴۰ سال تأیید شد
دانشمندان پس از ۴۰ سال به کمک شبیه‌سازی آزمایشگاهی موفق شدند، فرضیه‌ی وجود باران هلیوم در سیاره‌های گازی مانند مشتری و زحل را تأیید کنند.
تقریبا ۴۰ سال پیش بود که دانشمندان برای نخستین بار وجود باران هلیوم (Helium) را در سیاره‌های تشکیل شده از هیدروژن و هلیوم مانند مشتری و زحل پیش‌بینی کردند. طبق این فرضیه، شرایط شدید دما و فشار در جو این سیاره‌ها باعث جدا شدن مخلوط هیدروژن و هلیوم و در نهایت باران هلیوم می‌شود. با این وجود دستیابی به شرایط آزمایشی لازم برای تأیید این فرضیه تا کنون امکان‌پذیر نبود.
اکنون در مقاله‌ای که ۲۶ می ۲۰۲۱ (۵ خرداد) در نشریه‌ی «نیچر» (Nature) منتشر شده، دانشمندان شواهد تجربی را برای پشتیبانی از این پیش‌بینی چندین ساله ارائه کردند که نشان می‌دهد باران هلیوم ممکن است در دامنه‌ی فشار و دما می‌تواند در داخل این سیارات روی دهد.
«ماریوس میلوت» (Marius Millot) فیزیکدان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) و از نویسندگان این مقاله گفت: «ما کشف کردیم که باران هلیوم واقعی است و می‌تواند در مشتری و زحل روی دهد. این موضوع برای کمک به دانشمندان علوم سیاره‌ای در رمزگشایی از شکل‌گیری و تکامل این سیاره‌ها اهمیت دارد که به نوبه‌ی خود برای درک چگونگی شکل‌گیری منظومه‌ی شمسی حیاتی است.»
«ریموند جانلوز» (Raymond Jeanloz) همکار این مطالعه و استاد علوم زمین و سیاره‌ای و نجوم دانشگاه کالیفرنیا برکلی افزود: «در این زمینه سیاره‌ی مشتری به‌ویژه جالب توجه است زیرا تصور می‌شود که به حفاظت از منطقه‌ی سیاره‌ای داخلی منظومه‌ی شمسی که زمین را هم دربر می‌گیرد کمک کرده است. ممکن است حضور ما وابسته به مشتری باشد.»
جو سیاره‌ی هرمز بیشتر از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است. در عمق این جو، هلیوم به صورت قطره‌های باران فرو می‌ریزد.
Credit: JPL-Caltech/NASA, SWRI, MSSS
Image Processing: Prateek Sarpal
این تیم تحقیقاتی بین‌المللی که شامل دانشمندانی از LLNL، کمیسیون انرژی‌های جایگزین و انرژی هسته‌ای فرانسه، دانشگاه روچستر و دانشگاه کالیفرنیا برکلی بود، آزمایش‌های منحصربه‌فرد خود را در آزمایشگاه انرژی لیزر دانشگاه روچستر (LLE) انجام داد.
میلوت گفت: «همراه کردن فشار ایستا با شوک‌های لیزری کلیدی بود که به ما اجازه داد تا به شرایط درون مشتری و زحل دست یابیم اما این موضوع خیلی چالشی است. ما واقعا باید بر روی این تکنیک کار می‌کردیم تا شواهد قانع‌کننده‌ای به‌دست آوریم. این کار سال‌ها طول کشید و خلاقیت زیادی به‌کار گرفته شد.»
پژوهشگران از سلول‌های سندان الماس برای فشرده‌سازی مخلوطی از هیدروژن و هلیوم تا فشار ۴ گیگاپاسکال استفاده کردند. سپس از ۱۲ پرتوی قدرتمند لیزر امگا در آزمایشگاه LLE برای پرتاب امواج قوی و فشرده‌سازی بیشتر نمونه به فشارهای نهایی ۶۰ تا ۱۸۰ گیگاپاسکال و گرم کردن آن تا چندین هزار درجه استفاده کردند. رویکردی که مشابه با کلید کشف یخ آب سوپریونیک (یخ در دما و فشار بالا) بود.
طرحی گرافیکی از سیاره‌ی زحل
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute
با استفاده از ابزارهای تشخیص سریع، این تیم سرعت شوک، بازتابش نوری نمونه‌ی فشرده شده توسط شوک و تابش گرمایی آن را اندازه گرفت و با مطالعه در اندازه‌گیری‌های گوناگون دریافت که بازتابش نمونه با افزایش فشار شوک به آرامی افزایش نمی‌یابد.
در عوض ناپیوستگی‌هایی در سیگنال بازتابش مشاهده شد که نشان می‌داد رسانایی الکتریکی نمونه به‌طور ناگهانی تغییر می‌کند. چیزی که امضای جدا شدن مخلوط هلیوم و هیدروژن است. در مقاله‌ای که در سال ۲۰۱۱ منتشر شد، دانشمندان LLNL شامل «سباستین همل» (Sebastien Hamel)، «میگل مورالس» (Miguel Morales) و «اریک اشوگلر» (Eric Schwegler) پیشنهاد کردند که از تغییرات بازتابش نوری به‌عنوان کاوشگری برای فرآیند جداسازی مخلوط استفاده شود.
میلوت گفت: «آزمایش‌های ما شواهد تجربی برای یک پیش‌بینی طولانی‌مدت را نشان می‌دهد. دامنه‌ای از فشارها و دماها وجود دارد که در آن‌ها این مخلوط ناپایدار شده و از بین می‌رود. این انتقال در شرایط فشار و دمای نزدیک به شرایط لازم برای تبدیل هیدروژن به یک مایع فلزی روی می‌دهد و تصویر شهودی این است که فلزی شدن هیدروژن باعث تحریک فرآیند جداسازی مخلوط می‌شود.»
شبیه‌سازی عددی این فرآیند مخلوط‌سازی، به دلیل اثرات ظریف کوانتومی چالش‌برانگیز است. بنابراین آزمایش‌های تجربی یک معیار اساسی برای نظریه و شبیه‌سازی‌های عددی ارائه می‌دهند. در آینده این تیم به بهتر کردن اندازه‌گیری‌ها و گسترش آن به دیگر ترکیب‌ها ادامه می‌دهد و تلاش می‌کند درک ما را از مواد در شرایط شدید بهبود ببخشد.
عکس کاور: طرحی گرافیکی از باران هلیوم و دورنمای سیاره‌های مشتری (هرمز) و زحل (کیوان)
Credit: Jonathan DuBois
منبع: SciTechDaily
