« La pluie d’hélium est réelle ! » Des expériences ont prouvé la possibilité de pluie d’hélium à l’intérieur de Jupiter et de Saturne

Une équipe de recherche internationale, comprenant des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory, a validé une prédiction vieille de près de 40 ans et a montré expérimentalement que des pluies d’hélium sont possibles à l’intérieur de planètes telles que Jupiter et Saturne (photo). Crédit d’image : NASA/JPL/Institut des sciences spatiales

Il y a près de 40 ans, les scientifiques ont d’abord prédit la présence de pluie d’hélium à l’intérieur de planètes composées principalement d’hydrogène et d’hélium, telles que Jupiter Et le Saturne. Cependant, la réalisation des conditions expérimentales nécessaires pour valider cette hypothèse n’a pas été possible – jusqu’à présent.

Dans un article publié le 26 mai 2021 par nature, les scientifiques révèlent des preuves expérimentales pour étayer cette prédiction à long terme, montrant que la pluie d’hélium est possible dans une gamme de conditions de pression et de température qui reflètent celles attendues sur ces planètes.

« Nous avons découvert que les pluies d’hélium sont réelles et qu’elles peuvent se produire à la fois sur Jupiter et Saturne », a déclaré Marius Melot, physicien au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et co-auteur de la publication. « C’est important pour aider les planétologues à déchiffrer comment ces planètes se sont formées et ont évolué, et il est essentiel de comprendre comment le système solaire s’est formé. »

Raymond Genloz, co-auteur et professeur de sciences de la Terre et des planètes et d’astronomie à Université de Californie, Berkeley. « Nous pourrions être ici à cause de Jupiter. »

L’équipe de recherche internationale, qui comprenait des scientifiques du LLNL, de l’Association française des énergies alternatives et de l’énergie atomique, de l’Université de Rochester et de l’Université de Californie à Berkeley, a mené ses expériences dans le Laboratoire d’énergie laser (LLE) de l’Université de Rochester.

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« Le couplage de la compression statique et du choc laser est essentiel pour nous permettre d’atteindre des conditions similaires aux conditions intérieures de Jupiter et de Saturne, mais c’est un défi majeur », a déclaré Melott. « Nous avons vraiment dû travailler sur cette technique pour obtenir des preuves convaincantes. Cela a pris de nombreuses années et beaucoup de créativité de la part de l’équipe. »

L’équipe a utilisé des cellules à enclume de diamant pour comprimer un mélange d’hydrogène et d’hélium à 4 gigapascals (GPa ; environ 40 000 fois celui de l’atmosphère terrestre). Ensuite, les scientifiques ont utilisé 12 faisceaux géants de lasers oméga LLE pour émettre de puissantes ondes de choc afin de comprimer l’échantillon à des pressions finales de 60 à 180 GPa et de le chauffer à plusieurs milliers de températures. une Approche similaire C’était la clé de la découverte de la glace d’eau super-ionique.

À l’aide d’une série d’outils de diagnostic ultra-rapides, l’équipe a mesuré la vitesse du choc, la réflexion optique et l’émission de chaleur de l’échantillon compressé par choc, et a constaté que la réflexion de l’échantillon n’augmentait pas aussi doucement avec une pression de choc accrue, comme c’est le cas dans la plupart échantillons. Les chercheurs ont étudié avec des mesures similaires. Au lieu de cela, ils ont trouvé des discontinuités dans le signal de réflexion observé, ce qui indique que la conductivité électrique de l’échantillon change brusquement, ce qui indique la séparation du mélange d’hélium et d’hydrogène. Dans une feuille Publié en 2011Les scientifiques du LLNL Sebastian Hamel, Miguel Morales et Erik Schweigler ont proposé d’utiliser les changements de la réflexion optique comme sonde pour le processus de démodulation.

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« Nos expériences révèlent des preuves empiriques pour la prédiction à long terme: il existe une gamme de pressions et de températures auxquelles ce mélange devient instable et mélangé », a déclaré Melott. « Cette transformation a lieu dans des conditions de pression et de température proches de celles requises pour la conversion de l’hydrogène. Dans un liquide métalliqueL’image évidente est que la métallisation de l’hydrogène supprime le mélange. »

Simuler ce processus de mélange est un défi numérique en raison des effets quantitatifs subtils. Ces expériences fournissent une norme critique pour la théorie et la simulation numérique. Tournée vers l’avenir, l’équipe continuera d’affiner la mesure et de l’étendre à d’autres formules dans une quête permanente pour améliorer notre compréhension des matériaux dans des conditions extrêmes.

Référence : « Evidence for Hydrogen and Helium Immiscibility in Jupiter’s Interior Conditions » par S.Brygoo, P. Loubeyre, M. Millot, J. Rygg, PM Celliers, J. H. Eggert, R.Janloz et G.W. Collins, 26 mai 2021, nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03516-0

Le travail a été financé par un programme de recherche et développement dirigé du laboratoire LLNL et du bureau des sciences du ministère de l’Énergie. Outre Millot et Jeanloz, les collaborateurs sont Stéphanie Brygoo et Paul Loubeyre du CEA ; Peter Selliers et John Eggert de LLNL; et Ryan Rigg et Gilbert Collins de l’Université de Rochester.

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