Лазер приблизил астрономов к недрам гигантов
До недр далёких планет учёные пока что добраться не могут. Да и что греха таить — никто детально не знает, что и как находится и шевелится в родной Третьей планете. Однако нетерпеливые исследователи взялись за работу по изучению глубин газовых гигантов с помощью лазеров.
Какие-такие лазеры внутри планет? Никаких — работа по-прежнему кипит на Земле.
Наши представления о внутреннем строении газовых гигантов ограничены не только с практической стороны — не долететь и не пробурить. Есть и теоретическая проблема.
Чтобы знать о «конструкции» таких объектов, необходимо хорошо представлять, как должен вести себя гелий — основной компонент гигантов — в условиях сверхвысоких давлений и температур.
Но и у этой трудности есть практический аспект. Раньше никто никогда не работал с гелием, находящимся в столь экзотическом состоянии: подобные условия не так просто создать на Земле.
В настоящее время провести столь масштабный эксперимент позволяет совместный проект университета Рочестера (University of Rochester) и Ливерморской национальной лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory — LLNL), в котором используется мощная лазерная установка Omega.
Мишень с гелием, предварительно доведённым до повышенного давления. Кварцевый квадратик использовался для регистрации некоторых параметров опыта.
После эксперимента от цели останется лишь дырочка диаметром 2 миллиметра (фото с сайта publicaffairs.llnl.gov).
Она была создана в 1995 году и постоянно подвергается модификациям, в результате которых её возможности становятся всё шире. В настоящее время она позволяет концентрировать на изучаемых объектах 60 лазерных пучков с общей энергией 40 тысяч джоулей.
На этот раз с помощью такого страшного излучения учёные попытались исследовать образец жидкого гелия. В результате этого давление в нём достигло огромного значения — 100 гигапаскалей, что в миллион раз больше атмосферного давления.
Для сравнения — в ходе некоторых предыдущих исследований давление достигало «всего» 16 гигапаскалей.
В экспериментах с Omega учёные сначала поместили гелий, находящийся под высоким давлением, в крошечный сосуд, который должен быть мишенью. А затем с помощью направленных лазеров вызвали в гелии ударные волны, благодаря которым и удалось довести вещество до необычного состояния.
Наиболее принятая в теории структура планеты типа Юпитера. 1 — область конденсации гелия, 2 — ледяные кристаллы.
3 — жидкость из молекулярного водорода и гелия, 4 — область перехода фаз, 5 — смесь из атомарного водорода и гелия в металлическом состоянии, 6 — лёд, 7 — железно-каменное ядро (иллюстрация с сайта publicaffairs.llnl.gov).
Как утверждает один из организаторов грандиозного испытания, физик доктор Гилберт Коллинз (Gilbert Collins), достигнутое состояние гелия близко состоянию в центре гигантских планет. Так, внутри Юпитера давление примерно равно ста миллионам атмосфер.
Как предсказывает теория, там с гелием должны начинаться чудеса. В частности ожидается, что это вещество, известное нам как газ или как сверхтекучая жидкость при сверхнизких температурах, должно и при громадном давлении проявлять свойства сверхтекучести, а также становиться проводником и, как ни удивительно, кристаллизоваться.
Обнаружить все такие фантастические особенности экспериментаторы не смогли, так как продолжался опыт очень короткое время. Однако наличие электропроводящего состояния всё же было зафиксировано.
Кроме этого, основываясь на полученных данных, физики смогли вывести уравнение состояния гелия в недрах больших газовых планет. Кое-что об этом можно узнать из статьи Коллинза и его коллег, опубликованной в Physical Review Letters.
По словам Коллинза, «открытие уравнения состояния гелия под таким давлением — это первый шаг к глубокому пониманию устройства планет-гигантов».
Установка Omega. Слева: вид сверху.
Справа: один из исследователей LLNL готовит к опыту камеру с мишенью (фото с сайта llnl.gov).
Но эксперименты только начинаются. В скором времени учёные планируют поставить новые опыты в лаборатории National Ignition Facility при LLNL. Находящаяся там лазерная установка имеет 192 пучка с общей энергией в 1,8 мегаджоуля!
Но сейчас она находится на реконструкции.
Ожидается, что результаты будущих испытаний помогут лучше понять как процессы в газовых гигантах, так и некоторые особенности состояния вещества в центре обычных планет. Планируется также расширить область применения экспериментов, в частности, для того чтобы узнать некоторые особенности протекания процессов при взрывах ядерного оружия (которые, как известно, могут довести до ужасного).
Остаётся ждать свежих новостей.
Открытие астрономов NASA: мы не одиноки во Вселенной?
