氦形成的水滴比氫的密度還要大

根據5月27日《自然》雜誌報導的太空實驗室研究結果,木星這顆氣態星球內部的壓力和溫度,會構成大氣大部分的氫和氦且不是以混合的方式存在,這表明在木星大氣層深處氫和氦就是分離的,且氦形成的水滴比氫的密度還要大,才導致它們會像雨一樣落下。這是近40年前科學家們首次預測在由氫和氦組成的行星(如木星和土星)內存在氦氣雨,在過去科學家努力去驗證這假設,卻一直得到否定的答案,直到現在終於找到相關證據可以證明。 

壓力達到地球大氣壓力的近200萬倍

木星的外表是人類因長期研究所以非常熟悉的地方,但這只僅限於外表,我們一直以來都不清楚雲層下面究竟是什麼組成的且發生了什麼事,因此研究人員設計了一個實驗來壓縮氫和氦,其壓力達到地球大氣壓力的近200萬倍,溫度達到數千攝氏度,藉此模仿氣體巨星的內層。加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家馬利厄斯·米洛說:「我們正在複製行星內部的條件。」他還補充說:「我們的實驗為一個長期存在的預測揭示了證據,實驗中我們先假設有一個壓力和溫度的範圍,在這個範圍內,這種混合物會變得不穩定,而這種轉變發生在接近將氫氣轉化為金屬流體所需的壓力和溫度條件下,因此氫氣金屬化引發了脫離的現象。」

氫和氦會在木星雲頂下11000公里處分離

該團隊使用鑽石砧板將氫和氦的混合物壓縮到4千兆帕(GPa約為地球大氣的4萬倍),接著科學家們再使用LLE的歐米茄雷射器的12個巨大光束來發射強烈的衝擊波,進一步將樣品壓縮到60-180GPa的最終目標,並將其加熱到幾千度,隨著壓力和溫度的增加,研究人員發現這種材料的反射能力突然增加,這表示氦從氫中分離出來,氫在這種條件下變成了液態金屬,而在更高的壓力和溫度下,反射率持續下降,表明了氫和氦會再次混合。

因此研究人員計算出,氫和氦會在木星雲頂下11000公里處分離,且深度達到22000公里,這些結果可以幫助科學家解釋氣體行星航天器的各種觀測結果,比如木星大氣層外層的氦其實比我們預期的要少很多。

圖片來源: IMAGE PROCESSING BY PRATEEK SARPAL

資料來源:Emily Conover(2021,MAY 28).Laser experiments suggest helium rain falls on Jupiter. Sciencenews

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