A atmosfera de gigantes gasosos consiste principalmente de hidrogênio, que é o elemento químico mais abundante no universo. "Nós temos muito pouco conhecimento experimental sobre o hidrogênio no interior de tais planetas", diz Ulf Zastrau da Universidade de Jena . Os pesquisadores tomaram um sneak peek profundamente nas camadas atmosféricas mais baixas de gigantesplanetas gasosos , como Júpiter ou Saturno, usando laser de raios-X. As observações da equipe em torno Zastrau revelar como o hidrogênio líquido torna-se um plasma, e fornecer informações sobre a condutividade térmica do material e seu intercâmbio de energia interna, que são ingredientes importantes para os modelos planetários.
"Esta é, apesar de nossos bons modelos teóricos." Os pesquisadores decidiram utilizar hidrogénio líquido frio como uma amostra da atmosfera planetária. "Hidrogénio líquido tem uma densidade que corresponde à da atmosfera mais baixa de tais planetas gigantes," explica Zastrau. Os cientistas usaram raios-X do laser de DESY FLASH para aquecer hidrogênio líquido, quase que instantaneamente, a partir de menos de 253 a cerca de 12.000 graus Celsius e, simultaneamente, observar as propriedades do elemento durante o processo de aquecimento.
O hidrogénio é o átomo mais simples da tabela periódica, constituído por um único protão no núcleo atómico, que é orbitado por um único electrão. Normalmente, hidrogénio ocorre como uma molécula constituída por dois átomos. O pulso de laser de raios X aquece inicialmente apenas os elétrons.Estes transferir lentamente sua energia para os prótons, que são cerca de 2.000 vezes mais pesado, até que um equilíbrio térmico é atingido. As ligações moleculares quebrar durante esse processo, e um plasma de elétrons e prótons é formado. Embora esse processo leva muitos milhares de colisões entre elétrons e prótons, os estudos mostraram que o equilíbrio térmico é atingido em menos de um trilionésimo de segundo (a picossegundos).
"Estamos realizando astrofísica laboratório experimental", explica Zastrau. Até agora, os pesquisadores basearam-se em modelos matemáticos para descrever o interior de gigantes gasosos, como Júpiter. Parâmetros do modelo importantes incluem as propriedades dielétricas do exemplo de hidrogênio para, a condutividade térmica e elétrica - que são cruciais para simular corretamente as maciças, fluxos de calor para fora dirigidos em planetas gasosos gigantes.
"O estudo revelou as propriedades dielétricas do hidrogênio líquido", relata o co-autor Dr. Philipp Sperling, da Universidade de Rostock. "Quando você sabe as condutividades térmicas e elétricas das camadas individuais de hidrogênio na atmosfera de um planeta gasoso gigante, você pode calcular o perfil de temperatura associado." Os investigadores dos experimentos lhes permitiu localizar um primeiro ponto no diagrama de fases de hidrogênio . As experiências terá que ser repetido a outras temperaturas e pressões, a fim de criar uma imagem detalhada de toda a atmosfera planetária.
O estudo requer uma grande dose de esforço, em parte porque o hidrogênio normalmente não existir na forma líquida na Terra. A fim de liquefazer o gás hidrogênio, primeiro ele deve ser resfriado a menos 253 graus Celsius. "Usamos o gás de hidrogênio extremamente pura e forçá-lo através de um bloco de cobre que é resfriado por hélio líquido", explica DESY pesquisador Dr. Sven Toleikis, um membro da equipe. "A temperatura deve ser muito controlada com precisão durante este processo. Se o hidrogênio fica muito frio, que congela e bloqueia a linha ", diz Toleikis. Em tais casos, um pequeno aquecedor é utilizado para re-liquefazer o hidrogénio conforme necessário. No final do bloco de cobre, projectos um bocal como um dedo dentro da câmara de vácuo experimental. Desde a sua dica flui uma multa a jato de hidrogênio líquido com um diâmetro de apenas um quinto de milímetro (20 micrómetros). Esta configuração experimental foi desenvolvido no decorrer de muitos anos de cooperação entre a Universidade de Rostock e DESY.
Para estudar as propriedades do hidrogênio líquido, uma vez que se vaporiza, os pesquisadores tiro os pulsos intensos de FLASH laser de raios X moles do DESY no jato fino. "Para o experimento, foram utilizadas a capacidade única da FLASH para dividir os flashes individuais", explica Toleikis. "A primeira metade do flash aquece o hidrogênio, e usamos o segundo semestre para investigar suas propriedades." Usando Split-and-Delay Unit, o qual foi desenvolvido em cooperação com a Universidade de Münster ea Helmholtz-Zentrum Berlin , a segunda metade do flash é deliberadamente atrasada por uma pequena fração de segundo (até 15 picossegundos, ou seja trilionésimo de segundo). Ao estudar o sistema desta forma, com um pouco diferentes tempos de atraso, o modo pelo qual um equilíbrio térmico é estabelecido entre os electrões e os protões de hidrogénio pode ser observado semelhante a uma câmara de movimento super-lenta.
A interpretação dos dados de observação não era simples, no entanto. "Levou muito tempo para entender o que estava realmente acontecendo no experimento", diz o professor Ronald Redmer, que lidera o grupo de trabalho Rostock. Os pesquisadores fizeram uso de densidade funcional teoria uma ferramenta padrão da física quântica, que é usado para descrever sistemas com muitos elétrons-para modelar o processo. No entanto, este procedimento padrão não funciona para sistemas a duas temperaturas diferentes, como na experiência FLASH. "Antes de sermos capazes de descrever corretamente as observações, tivemos que estender a teoria do funcional da densidade com um modelo de dois temperatura", relatou Redmer.
"Nossa experiência nos mostrou o caminho de como investigar plasmas densos com lasers de raios-X", diz Dr. Thomas Tschentscher, diretor científico do XFEL Europeia laser de raios X, na qual experimentos será possível em 2017. "Este método abre o caminho para outros estudos, por exemplo, de plasmas densos de elementos mais pesados e misturas, como eles ocorrem no interior dos planetas. Felizmente, os resultados vão nos fornecer entre outros, com uma resposta baseada experimentalmente para a pergunta, por que os planetas descobertos fora do nosso sistema solar não existem em todas as combinações imagináveis de propriedades como idade, peso, tamanho ou composição elementar, mas poderá ser destinada à certos grupos. "
O ponto quente escuro nesta imagem em falsa cor, na parte superior da página da sonda Cassini da NASA é uma janela na atmosfera de Júpiter. Tudo em torno dela são camadas de nuvens mais altas, com cores indicando qual camada da atmosfera das nuvens está dentro As nuvens azuladas à direita são na troposfera superior, ou talvez ainda maior, na estratosfera. O giro avermelhado sob o ponto quente para a direita e do grande pluma avermelhada no seu canto inferior esquerdo estão na baixa troposfera. Além disso, uma elevada, neblina transparente cobre uma parte da armação.Esta imagem foi lançado 14 de março de 2013.
Os cientistas apresentam suas experiências na edição de sexta-feira da revista científica Physical Review Letters.
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY é o principal centro acelerador alemão e um dos principais do mundo. DESY é membro da Associação Helmholtz e recebe o financiamento do Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) (90 por cento) e os estados federais alemães de Hamburgo e Brandenburg (10 por cento). Em seus locais em Hamburgo e Zeuthen perto de Berlim, DESY desenvolve, constrói e opera grandes aceleradores de partículas, e as usa para investigar a estrutura da matéria. Combinação de DESY da ciência fóton e física de partículas é único na Europa.
"Resolvendo aquecimento ultra-rápido de densa hidrogênio criogênico"; U. Zastrau et al; Physical Review Letters, 2014; DOI:. 10.1103/PhysRevLett.
The Daily Galaxy via DESY
Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech / SSI / GSFC
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