För nästan fem miljarder år sedan bildades de jätte gasformiga planeterna Jupiter och Saturn, tydligen på radikalt olika sätt.
Så säger en forskare vid University of California Los Alamos National Laboratory som skapade uttömmande datormodeller baserade på experiment där elementet väte blev chockat mot trycket nästan lika stort som de som finns i de två planeterna.
I samarbete med en fransk kollega skapade Didier Saumon från Los Alamos 'Applied Physics Division modeller som visar att tunga element är koncentrerade i Saturnus massiva kärna, medan samma element blandas i hela Jupiter, med väldigt liten eller ingen central kärna alls. Studien, som publicerades i denna veckas Astrophysical Journal, visade att eldfasta element som järn, kisel, kol, kväve och syre är koncentrerade i Saturns kärna, men sprids i Jupiter, vilket leder till en hypotes om att de bildades genom olika processer.
Saumon samlade in data från flera senaste chockkomprimeringsexperiment som har visat hur väte uppträder vid tryck som är en miljon gånger högre än atmosfärstrycket och närmar sig de som finns i gasjättarna. Dessa experiment - som genomförts under de senaste åren på amerikanska nationella laboratorier och i Ryssland - har för första gången tillåtit exakta mätningar av den så kallade tillståndsekvationen för enkla vätskor, såsom väte, inom högtrycket och högdensiteten riket där jonisering sker för deuterium, isotopen gjord av en väteatom med en ytterligare neutron.
I samarbete med T. Guillot från Observatoire de la Cote d’Azur, Frankrike, utvecklade Saumon cirka 50 000 olika modeller av de inre strukturerna i de två jätteformiga gasplaneterna som inkluderade alla möjliga variationer som tillåts av astrofysiska observationer och laboratorieexperiment.
"Vissa uppgifter från tidigare planetsonder gav oss indirekt information om vad som äger rum i Saturnus och Jupiter, och nu hoppas vi kunna lära oss mer från Cassini-uppdraget som just kom till Saturnus bana," sa Saumon. "Vi valde bara de datormodeller som passar planetobservationerna."
Jupiter, Saturn och de andra jätteplaneterna består av gaser, som solen: De är cirka 70 procent väte i massa, med resten mestadels helium och små mängder tyngre element. Därför var deras inre strukturer svåra att beräkna eftersom vätgasens tillståndsekvation vid höga tryck inte var väl förstått.
Saumon och Guillot begränsade sina datormodeller med data från deuterium-experimenten och minskade därmed tidigare osäkerheter för ekvationen av vätestillstånd, som är den centrala ingrediensen som behövs för att förbättra modellerna för planeterna och hur de bildades.
"Vi försökte inkludera alla möjliga variationer som kan tillåtas av experimentella data om chockkomprimering av deuterium," förklarade Saumon.
Genom att uppskatta den totala mängden av de tunga elementen och deras fördelning inuti Jupiter och Saturnus ger modellerna en bättre bild av hur planeterna bildades genom tillförsel av väte, helium och fasta element från nebulosan som virvlade runt solen för miljarder år sedan .
"Det har varit allmän enighet om att kärnorna i Saturn och Jupiter är olika," sa Saumon. "Det som är nytt här är hur uttömmande dessa modeller är. Vi har lyckats eliminera eller kvantifiera många av osäkerheterna, så vi har mycket bättre förtroende för det intervall inom vilket de faktiska uppgifterna kommer att falla för väte, och därför för eldfasta metaller och andra element.
"Även om vi inte kan säga att våra modeller är exakta, vet vi ganska bra hur opräkta de är," tillade han.
Dessa resultat från modellerna hjälper till att vägleda mätningar som ska tas av Cassini och framtida föreslagna interplanetära rymdsonder till Jupiter.
Los Alamos National Laboratory drivs av University of California för National Nuclear Security Administration (NNSA) vid U.S. Department of Energy och arbetar i samarbete med NNSA: s Sandia och Lawrence Livermore nationella laboratorier för att stödja NNSA i sitt uppdrag.
Los Alamos utvecklar och tillämpar vetenskap och teknik för att säkerställa säkerheten och tillförlitligheten för den amerikanska kärnkraftsavskräckningen; minska hotet om massförstörelsevapen, spridning och terrorism; och lösa nationella problem inom försvar, energi, miljö och infrastruktur.
Originalkälla: Los Alamos News Release
