Міжнародна група дослідників отримала можливість вивчити нижні шари атмосфери газових планет-гігантів, таких як Юпітер або Сатурн, використовуючи рентгенівський лазер FLASH, розташований у німецькому дослідному центрі DESY (Deutsche Elektronen-Synchrotron X-ray laser FLASH).

Команда вчених на чолі з доктором Ульфом Застрау з університету Ієни продемонстрували, яким чином рідкий водень на Юпітері стає плазмою.Висновки, опубліковані в журналі Physical Review Letters, також містять інформацію про теплопровідності матеріалу і його внутрішньому енергообміну, який є важливим інгредієнтом при побудові планетарних моделей.

Водень є найпоширенішим хімічним елементом у Всесвіті і основним інгредієнтом в атмосфері газових гігантів.

"У нас дуже мало експериментальних знань про водню в атмосфері таких планет. І це не дивлячись на наші дуже хороші теоретичні моделі. З-за цього, команда вирішила використовувати холодний рідкий водень в якості зразка планетарної атмосфери. Рідкий водень має щільність, яка відповідає нижній атмосфері таких гігантських газових планет", – говорить доктор Застрау.

Рентгенівський лазер FLASH DESY був використаний для нагріву рідкого водню практично миттєво, від мінус 253 до приблизно 12 000 градусів за Цельсієм. Це дозволило команді спостерігати властивості елемента в процесі нагріву.

Поряд з тим, що водень є найпоширенішим хімічним елементом, він також є найпростішим атомом періодичної таблиці Менделєєва. Він складається з одного протона в атомному ядрі і одного електрона. Спочатку рентгенівський лазер імпульс від FLASH нагріває тільки електрони, які повільно передають свою енергію протонів, які в 2000 разів важче електронів, поки не досягається теплове рівновагу. Під час цього процесу молекулярні зв'язки розбиваються і починається процес утворення плазмових електронів і протонів.Спостереження показують, що хоча процес може зайняти багато тисяч зіткнень між електронами і протонами, теплова рівновага досягається за декілька пікосекунд.

"Дослідження показало виявило діелектричні властивості рідкого водню. Коли ви знаєте теплові та електричні провідності окремих шарів водню в атмосфері гігантських газових планет, можна обчислити і пов'язаний з ними температурний профіль", – повідомляє доктор Філіп Сперлінг з університету Ростока.

Оскільки водень, природно, не існує в рідкому вигляді на Землі , це дослідження потребує багато зусиль . По-перше, водень повинен бути охолоджений до мінус 253 градусів Цельсія для його розрідження.

"Ми використовуємо виключно чистий газоподібний водень і проганяє його через мідний блок, який охолоджується рідким гелієм. При цьому ми повинні дуже точно контролювати температуру процесу. Багаторічна співпраця між DESY і Університетом Ростока дозволили створити цю експериментальну установку", – пояснює Свен Толяйкис, один з членів команди DESY.

DESY є провідним німецький центром прискорювача частинок і одним з найбільших прискорювачів у світі. У науково-дослідницьку групу увійшли вчені з науково-дослідного центру SLAC National Accelerator Laboratory і Ліверморської національної лабораторії США, інститут Йена, Оксфордського університету, Центру імені Гельмгольца GSI з дослідження важких іонів, Гамбурзького центру швидкої візуалізації ( НПІ ), університету Мюнстера і Європейського цента XFEL.