Bijna vijf miljard jaar geleden vormden zich de gigantische gasplaneten Jupiter en Saturnus, blijkbaar op radicaal verschillende manieren.
Dat zegt een wetenschapper van het Los Alamos National Laboratory van de Universiteit van Californië, die uitgebreide computermodellen heeft gemaakt op basis van experimenten waarbij het element waterstof tot een even grote druk werd geschokt als die binnen de twee planeten.
In samenwerking met een Franse collega creëerde Didier Saumon van de Applied Physics Division van Los Alamos modellen die aantonen dat zware elementen geconcentreerd zijn in de massieve kern van Saturnus, terwijl diezelfde elementen door heel Jupiter worden gemengd, met heel weinig of helemaal geen centrale kern. De studie, gepubliceerd in het Astrophysical Journal van deze week, toonde aan dat vuurvaste elementen zoals ijzer, silicium, koolstof, stikstof en zuurstof geconcentreerd zijn in de kern van Saturnus, maar verspreid zijn in Jupiter, wat leidt tot de hypothese dat ze zijn gevormd door verschillende processen.
Saumon verzamelde gegevens van verschillende recente schokcompressie-experimenten die hebben aangetoond hoe waterstof zich gedraagt bij een druk die een miljoen keer hoger is dan de atmosferische druk en die van de gasreuzen benadert. Deze experimenten - uitgevoerd in de afgelopen jaren in nationale laboratoria van de VS en in Rusland - hebben voor het eerst nauwkeurige metingen mogelijk gemaakt van de zogenaamde toestandsvergelijking van eenvoudige vloeistoffen, zoals waterstof, binnen de hoge druk en de hoge dichtheid rijk waar ionisatie optreedt voor deuterium, de isotoop gemaakt van een waterstofatoom met een extra neutron.
In samenwerking met T. Guillot van het Observatoire de la Cote d’Azur, Frankrijk, ontwikkelde Saumon ongeveer 50.000 verschillende modellen van de interne structuren van de twee gigantische gasvormige planeten, die elke mogelijke variatie omvatten die is toegestaan door astrofysische waarnemingen en laboratoriumexperimenten.
"Sommige gegevens van eerdere planetaire sondes gaven ons indirecte informatie over wat er in Saturnus en Jupiter gebeurt, en nu hopen we meer te leren van de Cassini-missie die net in de baan van Saturnus is aangekomen," zei Saumon. "We hebben alleen de computermodellen geselecteerd die passen bij de planetaire waarnemingen."
Jupiter, Saturnus en de andere gigantische planeten bestaan uit gassen, zoals de zon: ze bestaan voor ongeveer 70 procent uit waterstof, de rest bestaat voornamelijk uit helium en kleine hoeveelheden zwaardere elementen. Daarom waren hun inwendige structuren moeilijk te berekenen omdat de staatsvergelijking van waterstof bij hoge drukken niet goed werd begrepen.
Saumon en Guillot beperkten hun computermodellen met gegevens van de deuterium-experimenten, waardoor eerdere onzekerheden voor de vergelijking van de toestand van waterstof, het centrale ingrediënt dat nodig is om de modellen van de structuren van de planeten en hoe ze zich vormden, te verbeteren.
"We hebben geprobeerd alle mogelijke variaties op te nemen die mogelijk zijn toegestaan door de experimentele gegevens over schokcompressie van deuterium", legt Saumon uit.
Door de totale hoeveelheid van de zware elementen en hun verdeling binnen Jupiter en Saturnus te schatten, geven de modellen een beter beeld van hoe de planeten zijn gevormd door de aanwas van waterstof, helium en vaste elementen uit de nevel die miljarden jaren geleden rond de zon wervelde. .
"Er is algemene overeenstemming dat de kernen van Saturnus en Jupiter verschillend zijn", zei Saumon. "Wat hier nieuw is, is hoe uitgebreid deze modellen zijn. We zijn erin geslaagd veel van de onzekerheden weg te nemen of te kwantificeren, dus we hebben veel meer vertrouwen in het bereik waarbinnen de werkelijke gegevens zullen vallen voor waterstof, en dus voor de vuurvaste metalen en andere elementen.
"Hoewel we niet kunnen zeggen dat onze modellen nauwkeurig zijn, weten we heel goed hoe onnauwkeurig ze zijn", voegde hij eraan toe.
Deze resultaten van de modellen zullen de metingen die Cassini moet uitvoeren en toekomstige voorgestelde interplanetaire ruimtesondes naar Jupiter begeleiden.
Los Alamos National Laboratory wordt beheerd door de University of California voor de National Nuclear Security Administration (NNSA) van het Amerikaanse Department of Energy en werkt samen met de nationale laboratoria van NNSA, Sandia en Lawrence Livermore, om NNSA te ondersteunen in haar missie.
Los Alamos ontwikkelt wetenschap en technologie en past deze toe om de veiligheid en betrouwbaarheid van het Amerikaanse nucleaire afschrikmiddel te waarborgen; de dreiging van massavernietigingswapens, proliferatie en terrorisme verminderen; en nationale problemen op het gebied van defensie, energie, milieu en infrastructuur oplossen.
Oorspronkelijke bron: Los Alamos-persbericht
