Existem gigantes entre nós - gigantes de gás e gelo para ser mais específico. Eles orbitam a mesma estrela, mas suas condições ambientais e composição química são totalmente diferentes daquelas da Terra. Esses planetas enormes - Júpiter, Saturno, Netuno e Urano - podem ser vistos como laboratórios naturais para a física da matéria em temperaturas e pressões extremas.

Agora, uma equipe internacional que inclui cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia desenvolveu uma nova configuração experimental para medir como os elementos químicos se comportam e se misturam no interior de gigantes gelados, que poderia oferecer insights sobre a formação e evolução dos sistemas planetários. O que eles aprendem também pode orientar os cientistas que desejam explorar a fusão nuclear, que produz condições semelhantes às do nosso sol, como uma nova fonte de energia. Seus resultados foram publicados na semana passada em Nature Communications .

Misturando tudo

Em experimentos anteriores, pesquisadores usaram o laser de raios-X Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC para obter o primeiro olhar detalhado sobre a criação de "matéria densa quente, "um superquente, mistura supercomprimida que se acredita estar no coração desses enormes planetas. Eles também foram capazes de coletar evidências de "chuva de diamantes, "uma precipitação exótica prevista para se formar a partir de misturas de elementos nas profundezas de gigantes gelados.

Até agora, pesquisadores usaram uma técnica chamada difração de raios-X para estudar isso, tirar uma série de instantâneos de como as amostras respondem a ondas de choque produzidas por laser que imitam as condições extremas encontradas em outros planetas. Esta técnica funciona bem para amostras de cristal, mas é menos eficaz para amostras não cristalinas cujas moléculas e átomos estão dispostos de forma mais aleatória, que limita a profundidade de compreensão que os cientistas podem alcançar. Neste novo artigo, a equipe usou uma técnica chamada espalhamento de Thomson de raios-X que reproduz com precisão os resultados de difração anteriores, ao mesmo tempo que permite estudar como os elementos se misturam em amostras não cristalinas em condições extremas.

“Esta pesquisa fornece dados sobre um fenômeno que é muito difícil de modelar computacionalmente:a 'miscibilidade' de dois elementos, ou como eles combinam quando misturados, "diz o diretor do LCLS, Mike Dunne." Aqui eles veem como dois elementos se separam, como fazer com que a maionese se separe novamente em óleo e vinagre. O que eles aprendem pode oferecer uma visão sobre uma das principais formas de falha da fusão, em que a casca inerte de uma cápsula se mistura com o combustível de fusão e o contamina para que não queime. "

10, 000 quilômetros de profundidade

Neste experimento mais recente, feixes de laser óptico lançaram uma onda de choque em uma amostra de plástico feita de carbono e hidrogênio. Conforme a onda de choque se movia pelo material, os pesquisadores observaram isso atingindo as regiões em choque com fótons de raios-X de LCLS que espalharam para trás e para frente os elétrons na amostra.

"Um conjunto de fótons espalhados revelou as temperaturas e pressões extremas alcançadas na amostra, que imitam aqueles encontrados 10, 000 quilômetros abaixo da superfície de Urano e Netuno, "diz o cientista e co-autor do SLAC Eric Galtier." O outro revelou como os átomos de hidrogênio e carbono se separaram em resposta a essas condições. "

Indo mais fundo

Os pesquisadores esperam que a técnica lhes permita medir a mistura microscópica de materiais usados ​​em experimentos de fusão em geral, lasers de alta energia, como o National Ignition Facility no Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) do DOE.

"Queremos entender se este processo poderia ocorrer em implosões de fusão por confinamento inercial com cápsulas ablatoras de plástico, pois geraria flutuações que poderiam crescer e degradar o desempenho de implosão, "disse Tilo Doeppner, Físico do LLNL e co-autor do artigo.

Para acompanhar, a equipe planeja recriar condições ainda mais extremas encontradas nas profundezas de gigantes gelados, e estudar amostras que contêm outros elementos para entender o que acontece em outros planetas.

"Esta técnica nos permitirá medir processos interessantes que, de outra forma, são difíceis de recriar, "diz Dominik Kraus, um cientista da Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf que liderou o estudo. "Por exemplo, poderemos ver como o hidrogênio e o hélio, elementos encontrados no interior de gigantes gasosos como Júpiter e Saturno, misture e separe sob essas condições extremas. É uma nova maneira de estudar a história evolutiva dos planetas e sistemas planetários, bem como apoiar experiências para potenciais formas futuras de energia de fusão. "