Ученые представляют свои эксперименты в пятничном номере научного журнала Physical Review Letters.Атмосфера газовых гигантов состоит в основном из водорода, который является самым распространенным химическим элементом во Вселенной. «У нас очень мало экспериментальных знаний о водороде внутри таких планет», — говорит Застрау. «Это несмотря на наши очень хорошие теоретические модели». Поэтому исследователи решили использовать холодный жидкий водород в качестве образца атмосферы планеты. «Жидкий водород имеет плотность, которая соответствует плотности нижней атмосферы таких гигантских газовых планет», — объясняет Застрау.
Ученые использовали рентгеновский лазер FLASH от DESY для почти мгновенного нагрева жидкого водорода от минус 253 до примерно 12 000 градусов по Цельсию и одновременно наблюдали свойства элемента в процессе нагрева.Водород — простейший атом периодической таблицы, состоящий из одного протона в атомном ядре, вокруг которого вращается единственный электрон.
Обычно водород представляет собой молекулу, состоящую из двух атомов. Импульс рентгеновского лазера первоначально нагревает только электроны.
Они медленно передают свою энергию протонам, которые примерно в 2000 раз тяжелее, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. При этом разрываются молекулярные связи, и образуется плазма из электронов и протонов.
Хотя этот процесс требует многих тысяч столкновений между электронами и протонами, исследования показали, что тепловое равновесие достигается менее чем за триллионную долю секунды (пикосекунду).Астрофизика в лаборатории«Мы занимаемся экспериментальной лабораторной астрофизикой», — поясняет Застрау. До сих пор исследователи полагались на математические модели для описания недр газовых гигантов, таких как Юпитер.
К важным параметрам модели относятся диэлектрические свойства водорода — например, теплопроводность и электропроводность, — которые имеют решающее значение для правильного моделирования массивных, направленных наружу тепловых потоков на гигантских газовых планетах.«Исследование показало диэлектрические свойства жидкого водорода», — сообщает соавтор доктор Филипп Сперлинг из Университета Ростока. «Зная теплопроводность и электропроводность отдельных слоев водорода в атмосфере гигантской газовой планеты, вы можете рассчитать соответствующий температурный профиль». Эксперименты исследователей позволили им найти первую точку на фазовой диаграмме водорода.
Эксперименты придется повторить при других температурах и давлениях, чтобы создать подробную картину всей атмосферы планеты.Исследование требует больших усилий, отчасти потому, что водород обычно не существует на Земле в жидкой форме. Чтобы сжижить газообразный водород, его сначала нужно охладить до минус 253 градусов Цельсия. «Мы используем исключительно чистый газообразный водород и проталкиваем его через медный блок, охлаждаемый жидким гелием», — объясняет исследователь DESY доктор Свен Толейкис, член команды. «Во время этого процесса необходимо очень точно контролировать температуру. Если водород становится слишком холодным, он замерзает и блокирует линию», — говорит Толейкис.
В таких случаях используется небольшой нагреватель для повторного сжижения водорода по мере необходимости. На конце медного блока сопло, как палец, выступает в экспериментальную вакуумную камеру. Из его наконечника течет тонкая струя жидкого водорода диаметром всего одна пятидесятая миллиметра (20 микрометров).
Эта экспериментальная установка была разработана в ходе многолетнего сотрудничества между Ростокским университетом и DESY.Супер-медленное
Чтобы изучить свойства жидкого водорода при его испарении, исследователи направили интенсивные импульсы мягкого рентгеновского лазера DESY FLASH в тонкую струю. «Для эксперимента мы использовали уникальную способность FLASH разделять отдельные вспышки», — объясняет Толейкис. «Первая половина вспышки нагревает водород, а мы используем вторую половину для исследования его свойств». Используя модуль Split-and-Delay Unit, который был разработан в сотрудничестве с Мюнстерским университетом и Helmholtz-Zentrum Berlin, вторая половина вспышки намеренно задерживается на крошечную долю секунды (до 15 пикосекунд, т. Е. Триллионной секунды). секунды). Изучая систему таким образом с немного разными временами задержки, можно наблюдать способ, которым устанавливается тепловое равновесие между электронами и протонами в водороде, подобно камере сверхмедленного движения.
Однако интерпретация данных наблюдений была непростой. «Нам потребовалось много времени, чтобы понять, что на самом деле происходило в эксперименте», — говорит профессор Рональд Редмер, возглавляющий рабочую группу Ростока. Для моделирования этого процесса исследователи использовали теорию функционала плотности — стандартный инструмент квантовой физики, который используется для описания систем с большим количеством электронов. Однако эта стандартная процедура не работает для систем с двумя разными температурами, как в эксперименте FLASH. «Прежде чем мы смогли правильно описать наблюдения, нам пришлось расширить теорию функционала плотности с помощью двухтемпературной модели», — сообщил Редмер.«Наш эксперимент показал нам способ исследования плотной плазмы с помощью рентгеновских лазеров, — говорит доктор Томас Ченчер, научный руководитель европейского рентгеновского лазера XFEL, эксперименты с которым станут возможны в 2017 году». на пути к дальнейшим исследованиям, например, более плотной плазмы из более тяжелых элементов и смесей, поскольку они возникают внутри планет.
Надеемся, что результаты предоставят нам, среди прочего, экспериментально обоснованный ответ на вопрос, почему планеты были обнаружены за пределами нашей Солнечная система не существует во всех мыслимых сочетаниях свойств, таких как возраст, масса, размер или элементный состав, но может быть отнесена к определенным группам ».Помимо университетов Йены и Ростока и DESY, исследователи из американских исследовательских центров SLAC National Accelerator Laboratory и Lawrence Livermore National Laboratory, Института Гельмгольца в Йене, Оксфордского университета, Центра исследований тяжелых ионов GSI, Гамбургского центра для сверхбыстрой визуализации (CUI) в исследовании также участвовали Мюнстерский университет и европейский XFEL. Работа была поддержана Федеральным министерством образования и исследований (BMBF) в рамках исследовательских тем (FSP) 301 и 302 и VolkswagenStiftung стипендиатом Питера Пола Эвальда.
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY — ведущий ускорительный центр Германии и один из ведущих в мире. DESY является членом Ассоциации Гельмгольца и получает финансирование от Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF) (90 процентов) и федеральных земель Германии Гамбург и Бранденбург (10 процентов).
В своих офисах в Гамбурге и Цойтене недалеко от Берлина DESY разрабатывает, строит и эксплуатирует большие ускорители элементарных частиц и использует их для исследования структуры материи. DESY предлагает уникальное сочетание науки о фотонах и физики элементарных частиц для Европы.