Un equipo de investigación internacional, que incluye a científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, ha validado una predicción de hace casi 40 años y ha demostrado experimentalmente que la lluvia de helio es posible dentro de planetas como Júpiter y Saturno (en la foto). Crédito: NASA / JPL / Space Science Institute.
Hace casi 40 años, los científicos predijeron por primera vez la existencia de lluvia de helio dentro de planetas compuestos principalmente de hidrógeno y helio, como Júpiter y Saturno. Sin embargo, lograr las condiciones experimentales necesarias para validar esta hipótesis no ha sido posible, hasta ahora.
En un artículo publicado hoy por Nature , los científicos revelan evidencia experimental para respaldar esta predicción de larga data, que muestra que la lluvia de helio es posible en un rango de condiciones de presión y temperatura que reflejan las que se espera que ocurran dentro de estos planetas.
«Descubrimos que la lluvia de helio es real y puede ocurrir tanto en Júpiter como en Saturno», dijo Marius Millot, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y coautor de la publicación. «Esto es importante para ayudar a los científicos planetarios a descifrar cómo se formaron y evolucionaron estos planetas, lo cual es fundamental para comprender cómo se formó el sistema solar».
«Júpiter es especialmente interesante porque se cree que ayudó a proteger la región del interior del planeta donde se formó la Tierra», agregó Raymond Jeanloz, coautor y profesor de astronomía y ciencia terrestre y planetaria en la Universidad de California, Berkeley. «Puede que estemos aquí por culpa de Júpiter».
El equipo de investigación internacional, que incluía a científicos de LLNL, la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica de Francia, la Universidad de Rochester y la Universidad de California, Berkeley, llevó a cabo sus experimentos en el Laboratorio de Energía Láser (LLE) de la Universidad de Rochester.
«El acoplamiento de la compresión estática y los choques impulsados por láser es clave para permitirnos alcanzar las condiciones comparables a las del interior de Júpiter y Saturno, pero es muy desafiante», dijo Millot. «Realmente tuvimos que trabajar en la técnica para obtener evidencia convincente. Tomó muchos años y mucha creatividad por parte del equipo».
El equipo utilizó celdas de yunque de diamante para comprimir una mezcla de hidrógeno y helio a 4 gigapascales (GPa; aproximadamente 40.000 veces la atmósfera de la Tierra). Luego, los científicos utilizaron 12 haces gigantes del láser Omega de LLE para lanzar fuertes ondas de choque para comprimir aún más la muestra a presiones finales de 60-180 GPa y calentarla a varios miles de grados. Un enfoque similar fue clave para el descubrimiento del hielo de agua superiónica.
Usando una serie de herramientas de diagnóstico ultrarrápidas, el equipo midió la velocidad de choque, la reflectividad óptica de la muestra comprimida por choque y su emisión térmica, encontrando que la reflectividad de la muestra no aumentaba suavemente con el aumento de la presión de choque, ya que en la mayoría de las muestras el los investigadores estudiaron con medidas similares.
En cambio, encontraron discontinuidades en la señal de reflectividad observada, lo que indica que la conductividad eléctrica de la muestra estaba cambiando abruptamente, una firma de la mezcla de helio e hidrógeno separándose.
En un artículo publicado en 2011 , los científicos de LLNL Sebastien Hamel, Miguel Morales y Eric Schwegler sugirieron usar cambios en la reflectividad óptica como una sonda para el proceso de desmezcla.
«Nuestros experimentos revelan evidencia experimental para una predicción de larga data: hay un rango de presiones y temperaturas en las que esta mezcla se vuelve inestable y se desmezcla», dijo Millot.
«Esta transición ocurre en condiciones de presión y temperatura cercanas a las necesarias para transformar el hidrógeno en un fluido metálico , y la imagen intuitiva es que la metalización del hidrógeno desencadena la desmezcla».
Simular numéricamente este proceso de desmezcla es un desafío debido a los sutiles efectos cuánticos. Estos experimentos proporcionan un punto de referencia crítico para la teoría y las simulaciones numéricas.
De cara al futuro, el equipo continuará refinando la medición y extendiéndola a otras composiciones en la búsqueda continua de mejorar nuestra comprensión de los materiales en condiciones extremas.
