¿Cómo Saturno oculta su edad?
DOE / Laboratorios Nacionales Sandia
IMAGEN: Los experimentos en la máquina Z en los Laboratorios Nacionales Sandia han proporcionado datos que pueden explicar por qué Saturno es 2000000000 años más joven que Júpiter en algunos simulations.view más
Crédito: Cortesía de la NASA
ALBUQUERQUE, NM – Planetas tienden a enfriar a medida que envejecen, pero Saturno es más caliente que los astrofísicos dicen que debe estar sin una fuente de energía adicional.
El calor inexplicable ha causado una discrepancia de dos mil millones de años para los modelos de computadora que estiman la edad de Saturno. “Los modelos que predicen correctamente Júpiter de 4,5 mil millones de años encontrar Saturno sea sólo 2,5 mil millones de años”, dice Thomas Mattsson, gerente del grupo de teoría de la física de alta energía densidad de Sandia.
Los experimentos en la máquina Z de Sandia pueden haber ayudado a resolver ese problema cuando se verifican una persona de 80 años de edad, proposición de que el hidrógeno molecular, normalmente un aislante, se convierte en metálico si exprimido por la presión suficiente. Los físicos Eugene Wigner y Hilliard Huntington predijo en 1935 que un enrejado presión de moléculas de hidrógeno se rompería en átomos de hidrógeno individuales, liberando electrones que flotan libremente que podría llevar a una corriente.
“Esa predicción a largo Hace explicaría la temperatura de Saturno, ya que, cuando metallizes hidrógeno y mezclas con helio en un líquido denso, que puede liberar la lluvia de helio”, dijo el investigador de Sandia Mike Desjarlais. Lluvia helio es una fuente de energía que puede alterar la evolución de un planeta.
“En esencia, la lluvia de helio mantendría Saturno más caliente que los cálculos de la edad planetaria solo podría predecir”, dijo Marcus Knudson. Knudson y Desjarlais son los autores principales de un 26Sciencearticle junio, “La observación directa de una transición abrupta-aislante-metal en la densa deuterio líquido.”
Esta transición de hidrógeno densidad impulsada propuesta nunca se había observado experimentalmente hasta experimentos recientes de Sandia.
Las pruebas corrieron en la máquina Z de Sandia, máquina pulsada potencia más poderosa del mundo, que envía una enorme sino precisamente sintonizado pulso sub-microsegundo de electricidad a un objetivo. El correspondientemente fuerte campo magnético que rodea el pulso se utilizó para shocklessly squeeze deuterio – una variante más pesada de hidrógeno – a temperaturas relativamente bajas. Experimentos previos utilizados en otros lugares pistolas de gas para sorprender al gas. Esto aumentó su presión, pero al mismo tiempo elevó su temperatura más allá del rango de interés para la transición de fase densidad impulsada.
“Comenzamos a 20 grados Kelvin, donde el hidrógeno es un líquido, y envió a unos pocos cientos de choque kilobar – un plato pequeño folleto empujado por el campo magnético de Z en el hidrógeno – para calentar el líquido”, dijo Knudson. “Entonces utilizamos el campo magnético de Z a comprimir aún más el hidrógeno shocklessly, que lo mantuvo justo encima de la línea de líquido-sólido a unos 1.000 grados K.”
Dicha Desjarlais, “Cuando el líquido se comprimió a más de 12 veces su densidad de partida, hemos visto los signos que se convirtió en lugar de atómica molecular. La transición, en tres megabares de presión, da teóricos una figura sólida para utilizar en sus cálculos y ayuda a identificar el mejor marco teórico para modelar estas condiciones extremas “.
Los resultados deben ser enchufado en modelos astrofísicos para ver si la transición ahora confirmado a hidrógeno atómico disminuye significativamente la diferencia de edad entre los dos planetas enormes.
“El trabajo de Sandia muestra que el hidrógeno densa puede ser metálico, que a su vez cambia la coexistencia de hidrógeno y helio en el planeta”, dice Mattsson. “El mecanismo de lluvia de helio que se ha propuesto, por tanto, es muy plausible, dado que nuestros resultados, pero la discusión científica continuará en los próximos años en el establecimiento de un nuevo consenso.”
Curiosamente, la determinación de que se alcanzó una fase metálica se hizo ópticamente. “Hay demasiado ruido eléctrico en Z para hacer una prueba eléctrica, aunque tenemos la intención de medir directamente la corriente por el camino”, dijo Knudson.
Pruebas ópticas dependen de la transición de cero de reflectividad (aisladores) a la reflectividad alcanzado por metales.
“La única manera de obtener la reflectividad es cuando un material es metálico”, dijo Knudson. La reflectividad fue probado en todo el espectro visible – 450 a 750 nanómetros. “El experimento en sí produce la luz”, dijo. “Hemos recogido, lo puso a través de un espectrómetro para dispersar y pasamos a una cámara para observarlo.”
Cuando el aislante de hidrógeno alcanza la presión suficiente para convertirse metalizado, los investigadores observaron un 45 por ciento reflectividad, un excelente acuerdo con los cálculos teóricos, dijo Desjarlais.
“Esta es una muy buena combinación de teoría y experimento”, dijo. “Tiramos todas nuestras herramientas computacionales – que son importantes – a proporcionar a la verificación y la interpretación de las complejas observaciones experimentales a Z.”
El trabajo fue realizado en colaboración con el grupo de investigación del profesor Ronald Redmer en la Universidad de Rostock en Alemania y es parte del Programa de Ciencias Fundamentales Z en Sandia. El equipo multidisciplinar incluye investigadores con experiencia en el diseño experimental innovador, el diagnóstico y las capacidades de conformación de impulsos, coincidentes con el análisis teórico utilizando métodos basados ??en la mecánica cuántica.
Otros autores, además de Knudson, Desjarlais y Mattsson incluyen Redmer y Andreas Becker de la Universidad de Rostock y Ray Lemke, Kyle Cochrane, Mark Savage, y Dave Bliss en Sandia.
La máquina Z es una Ciencia Densidad Fondo de Alta Energía Nacional con el apoyo de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear.