Za pomocą największego i najpotężniejszego lasera na świecie naukowcy po raz pierwszy eksperymentalnie odtworzyli warunki istniejące w głębi planet gigantów. Wytworzona przez nich fala ciśnienia skompresowała diament tak, że odparował w niewyobrażalnie małym ułamku sekundy i znacznie zmienił swoją gęstość. Ten eksperyment pozwolił zrewidować teoretyczne prognozy, według których dotąd opisywano planetarne wnętrza.

Wzmacniacze lasera National Ignition FacilityWikipedia/CC BY-SA 3.0/Lawrence Livermore National Laboratory

Wzmacniacze lasera National Ignition FacilityWikipedia/CC BY-SA 3.0/Lawrence Livermore National Laboratory

Naukowcy z połączonych zespołów amerykańskiego Lawrence Livermore National Laboratory, oraz uniwersytetów Kalifornijskiego, Berkeley i Princeton użyli National Ignition Facility (NIF) – największego i najbardziej energetycznego urządzenia laserowego na świecie – ścisnęli próbki materiału, oddziałując na nie ciśnieniem 50 mln razy większe od ziemskiego ciśnienia atmosferycznego. Mniej więcej takie występują we wnętrzach Jowisza czy Saturna oraz wielu innych planet odkrytych poza Układem Słonecznym.

Jako obiekt eksperymentu wybrano diament, który jest postacią węgla. Badania skupiają się na tym pierwiastku, bo jest czwartym po wodorze, helu i tlenie najbardziej powszechnie występującym w kosmosie. Odgrywa istotną rolę w różnych typach planet, zarówno tych należących do Układu Słonecznego, jak i spoza niego. Wyniki doświadczenia opublikowano w lipcowym numerze czasopisma „Nature”.

Ściśnięty diament gęstszy niż ołów

Spośród 192 laserów NIF zespół wykorzystał 176 i za pomocą generowanej przez nie energii wytworzył falę ciśnienia, która w krótkim czasie skompresowała próbkę. Poddany takiemu eksperymentowi diament odparował w mniej niż 10 miliardowych części sekundy. Chociaż jest najmniej ściśliwym znanym materiałem (ściśliwość to miara względnej zmiany objętości cieczy lub ciała stałego w odpowiedzi na zmianę ciśnienia), to w tym doświadczeniu udało się skompresować go do bezprecedensowej gęstości. Okazała się ona większa niż gęstość ołowiu w warunkach otoczenia, który jest od diamentu znacznie cięższy.

– Opracowane tu eksperymentalne techniki zapewniają nowe możliwości odtwarzania warunków ciśnienia i temperatury panujących głęboko we wnętrzach planet – powiedział Ray Smith, fizyk z Lawrence Livermore National Laboratory i główny autor publikacji.

Zgodność ciśnienia i temperatury

Takie wartości ciśnienia, jak te osiągnięte podczas eksperymentu, uzyskiwano już wcześniej, ale towarzyszyły im fale uderzeniowe wytwarzające wysokie temperatury – o wartościach setek tysięcy stopni – które nie pozwalały realistycznie odtworzyć warunków panujących we wnętrzach planet. Żeby tego dokonać, trzeba było rozwiązać problem, jak przy znacznym zwiększeniu ciśnienia utrzymać temperatury na poziomie odpowiadającym wartościom z planetarnych wnętrz. 

Można to porównać do przemieszczania pługa – kiedy się chce za jego pomocą przesunąć piasek bez spiętrzania go, ruch musi być odpowiednio wolny. W przypadku eksperymentu z odtwarzaniem warunków panujących w głębi planet cel udało się osiągnąć dzięki ostrożnemu i precyzyjnemu dostrojeniu szybkości, z jaką zmienia się intensywność lasera w czasie.

 

Konfrontacja teorii z rzeczywistością

Dane uzyskane podczas tych badań to jedne z pierwszych rezultatów odnoszących się do prognoz pochodzących z czasów początków mechaniki kwantowej, czyli sprzed ponad 80 lat. Dotychczas te prognozy rutynowo stosowano do opisywania wnętrz planet i gwiazd. Między tą teorią a nowymi danymi istnieje duża zgodność, jednak odkryto też ważne różnice. To właśnie na nich mają się skupić dalsze badania doświadczenia z udziałem NIF.

Naukowcy mogą teraz dokonać dokładnych pomiarów właściwości odpowiadających za to, jak te planety ewoluują w czasie. Te informacje są niezbędne dla zrozumienia procesu tworzenia się tych masywnych obiektów. Tajemnicą do wyjaśnienia są też właściwości skompresowanego diamentu.

Polecane: