ผลทดลองยืนยันว่า “ฝนฮีเลียม” เกิดขึ้นได้จริงบนดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์

เมื่อเกือบ 40 ปีก่อนนักวิทยาศาสตร์ได้ทำนายการมีอยู่ของ “ฝนฮีเลียม” ภายในดาวเคราะห์ที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นหลักอย่างดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ แต่การทดลองเพื่อยืนยันความเป็นไปได้ของแนวคิดดังกล่าวไม่อาจทำได้เนื่องจากยังไม่สามารถสร้างสภาพแวดล้อมแบบเดียวกับของดาวเคราะห์ยักษ์พวกนั้นได้ แต่ตอนนี้นักวิจัยสามารถทำการทดลองและยืนยันได้แล้วว่าฝนฮีเลียมสามารถเกิดขึ้นได้จริงบนดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์

การทดลองของทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัยแห่งโรเชสเตอร์ (University of Rochester) ในรัฐนิวยอร์ก ประเทศสหรัฐอเมริกาในครั้งนี้ได้แสดงให้เห็นว่าที่บริเวณซึ่งมีความดันมหาศาลและอุณหภูมิสูงมากของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ ไฮโดรเจนและฮีเลียมซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของชั้นบรรยากาศจะไม่ผสมกัน นั่นแสดงว่าลึกลงไปในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ ไฮโดรเจนและฮีเลียมจะแยกออกจากกัน โดยฮีเลียมจะก่อตัวเป็นหยดที่มีความหนาแน่นมากกว่าไฮโดรเจนซึ่งทำให้มันกลายเป็นฝน

ทีมวิจัยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า Diamond Anvil Cell ทำการบีบอัดตัวอย่างส่วนผสมของไฮโดรเจนและฮีเลียมจนมีความดันถึง 4 GPa หรือราว 40,000 เท่าของความดันบรรยากาศโลก จากนั้นจึงใช้เครื่องยิงเลเซอร์ปล่อยคลื่นกระแทกรุนแรงเพื่อบีบอัดตัวอย่างต่อไปจนถึงความดันที่ 60 GPa หรือกว่า 2 ล้านเท่าของความดันบรรยากาศโลกและทำให้ตัวอย่างร้อนถึงอุณหภูมิหลายพันองศาเซลเซียสให้คล้ายกับบรรยากาศชั้นในของดาวเคราะห์ยักษ์

ระหว่างกระบวนการบีบอัดตัวอย่างทีมวิจัยใช้เครื่องมือพิเศษวัดความเร็วของแรงกระแทก การสะท้อนแสงของตัวอย่างที่ถูกบีบอัดด้วยแรงกระแทก และการปล่อยความร้อนของตัวอย่าง พวกเขาพบว่าการสะท้อนแสงของตัวอย่างไม่เพิ่มขึ้นอย่างราบเรียบตามความดันที่เพิ่มขึ้นแบบเดียวกับตัวอย่างอื่นๆที่เคยทดลองมาก่อน แต่กลับพบความไม่ต่อเนื่องในสัญญาณการสะท้อนแสงที่ตรวจวัดได้ นั่นแสดงว่าค่าการนำไฟฟ้าของตัวอย่างเปลี่ยนไปอย่างกะทันหันซึ่งเป็นตัวชี้บอกว่าส่วนผสมของฮีเลียมและไฮโดรเจนกำลังแยกตัวออกจากกัน เมื่อฮีเลียมแยกตัวออกจากไฮโดรเจนมันจะก่อตัวเป็นหยดเหมือนหยดน้ำมันที่ก่อตัวในส่วนผสมของน้ำมันกับน้ำ และฮีเลียมมีศักยภาพที่จะตกตะกอนรวมตัวกันกลายเป็นฝนฮีเลียม

“เราค้นพบว่าฝนฮีเลียมเป็นเรื่องจริงและสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์” Marius Millot หนึ่งในทีมวิจัยกล่าว “นี่เป็นสิ่งสำคัญที่จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ถอดรหัสได้ว่าดาวเคราะห์เหล่านี้ก่อตัวและวิวัฒนาการได้อย่างไร ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจว่าระบบสุริยะก่อตัวขึ้นอย่างไร”

ทีมวิจัยคำนวณว่าไฮโดรเจนและฮีเลียมจะแยกออกจากกันที่ระดับต่ำกว่ายอดบนสุดของก้อนเมฆของดาวพฤหัสบดีประมาณ 11,000 กิโลเมตรและลึกลงไปถึงที่ระดับประมาณ 22,000 กิโลเมตร

“ดาวพฤหัสบดีมีความน่าสนใจเป็นพิเศษเพราะมันถูกคิดว่าได้ช่วยปกป้องพื้นที่ดาวเคราะห์ชั้นในที่โลกก่อตัวขึ้น” Raymond Jeanloz ทีมวิจัยอีกคนหนึ่งกล่าวเสริม “เราอาจอยู่ที่นี่เพราะดาวพฤหัสบดี”

การจำลองกระบวนการแยกตัวในเชิงตัวเลขนี้เป็นสิ่งที่ท้าทายเนื่องจากผลกระทบเชิงควอนตัมที่ละเอียดอ่อน การทดลองเหล่านี้ได้สร้างเกณฑ์มาตรฐานที่สำคัญสำหรับทฤษฎีและการจำลองเชิงตัวเลข ในอนาคตทีมวิจัยจะปรับแต่งความละเอียดแม่นยำในการวัดอย่างต่อเนื่องและขยายไปยังองค์ประกอบอื่นๆ เพื่อพัฒนาความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับวัสดุในสภาวะที่รุนแรงให้ดีขึ้น

 

ข้อมูลและภาพจาก rochester.edu, scitechdaily