Laboratuardaki buzlu dev gezegenler…

Araştırmacılar gezegenlerin içinde neler olduğunu daha iyi anlamak için plastik kullanıyorlar

Neptün veya Uranüs’ün içinde olduğu gibi aşırı yüksek basınç altında bile, karbon (turuncu) ve hidrojenin (gri) sabit kristal yapıları vardır. HZDR araştırmacıları tarafından yapılan bu keşif, buz devlerinin iç yapısı için yeni olasılıklar ortaya koyuyor.
Uranüs ve Neptün gibi dev gezegenler daha önce tahmin edilenden çok daha az serbest hidrojen içerir. Alman Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ‘den araştırmacılar, bu tür gezegenlerde bulunan aynı sıcaklık ve basınçlara ulaşmak için iki farklı plastik türünden şok dalgaları ürettiler ve ultra-güçlü X-ışın lazer darbeleri kullanarak davranışı gözlemlediler. Beklenmedik bir şekilde, bu plastiklerden biri kristal yapıyı ulaşılan en aşırı basınçlarda bile birlikte tuttu. Buzlu dev iç kısımlar plastikle aynı bileşenlerden yapıldığından, gezegensel modeller kısmen bu şekilde gözden geçirilebilir.

Karbon ve hidrojen, evrendeki en bol bulunan elementler arasındadır ve Uranüs ve Neptün gibi buzlu dev gezegenlerin önemli bir bileşenidir. Dış atmosferde, bu atomlar metan gazı formunda bulunur, ancak yüksek basıncın derinliklerinde daha karmaşık hidrokarbon yapılarına yol açabilir. Malzemenin bu koşullarda aldığı aşamaları ve yapıları tahmin etmek, gezegensel araştırmaların en büyük sorunlarından biridir.

Buz devlerinin yapısını daha iyi anlayabilmek için, iki HZDR araştırmacısı Dr. Nicholas Hartley ve Dr. Dominik Kraus liderliğindeki uluslararası bir ekip, bir laboratuvar deneyinde iki tip plastik araştırdı: polistiren ve polietilen. Bu malzemeler gezegenlerin içinde, kimyadaki hidrokarbona benzer. ABD’deki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda, bilim insanları örnekleri Neptün ve Uranüs yüzeyinin yaklaşık on bin kilometre altında olduğu tahmin edilen koşullara maruz bıraktılar. Bu derinlikte, basınç neredeyse dünyanın çekirdeğindeki kadar yüksektir ve dünya yüzeyindeki atmosferik basınçtan iki milyon kat daha yüksektir.

Çok yüksek basınçlara ulaşmak

Bu kadar yüksek basınç ve sıcaklıklarda, araştırmacıların beklediği tek olası yapı elmas ya da numunelerin erimesiydi. Bunun yerine, yalnızca polietilen numuneleri için ulaşılan en yüksek basınçlara kadar stabil hidrokarbon yapıları gözlemlediler. Hartley, “Bu sonuca çok şaşırdık. Farklı başlangıç ​​durumunun bu kadar aşırı koşullarda bu kadar büyük bir fark yaratmasını beklemiyorduk. Bu, yakın zamanda, daha parlak X-ışını kaynaklarının geliştirilmesiyle, bu materyalleri çalışabildiğimizi düşünüyoruz” dedi.

Dünyadaki buz devlerinin içindeki aşırı koşullara yalnızca kısa bir süre ulaşılabildiğinden, araştırmacıların yıldırım hızında ölçüm yöntemlerine ihtiyacı vardır. Dünya çapında sadece bir avuç ultra hızlı X-ışını lazer tesisi vardır ve çok talep olduğundan ölçümler için zaman değerlidir. Kraus ve Hartley’e deneyleri için toplam on iki saatlik 3 vardiya verildi ve bu yüzden mümkün olduğu kadar çok ölçüm çalışması yapmak için her dakikayı kullanmak zorunda kaldılar. Örneğin şok ettikleri ve X-ışını lazeri ile sondaladıkları gerçek an, saniyenin sadece birkaç milyarıdır.

Beklenmeyen bir yapı belirir

Deneyler sırasında bile, araştırmacılar ilk sonuçları görebildiler: “Çok heyecanlandık çünkü umduğumuz gibi, polistiren, karbonun elması benzeri yapılar oluşturdu. Polietilen için bu deneyde ulaşılan koşullar için elmas göremedik. Bunun yerine, ilk başta açıklayamadığımız yeni bir yapı vardı, ”diyor Hartley. Verileri daha düşük basınçlarda önceki sonuçlarla karşılaştırarak, bunu beş kat daha düşük basınçta ve yalnızca ortam sıcaklıklarında görülen sabit bir polietilen yapısı olarak tanımladılar.

Araştırma ekibinin keşfi, buz devlerinin içindeki sıcaklık ve basınç koşullarını ve bunların yapısal ve fiziksel özelliklerini anlamak için yol açtığı kimyayı daha iyi karakterize etmenin ne kadar önemli olduğunu göstermektedir. Uranüs ve Neptün’ün modelleri, bu gezegenlerin olağan dışı manyetik alanlarının, bu sonuçların beklenebileceğinden daha az yaygın olduğu serbest hidrojen kaynaklı olabileceğini var sayar. Gelecekte, araştırmacılar deneylerinin gezegenlerin içindeki kimyaya daha iyi uyması için oksijen içeren karışımları kullanmak istiyor.