Folyékony hélium lehet néhány óriásbolygóban

A Naprendszer külső planétái - más néven óriásbolygók - jelentősen különböznek a Naphoz közelebb található kőzetbolygóktól. Utóbbiak, melyeket Föld típusú planétáknak is neveznek, jóval kisebb méretűek, átlagsűrűségük viszont nagyobb. A legfontosabb eltérés azonban a bolygótestek felépítésében jelentkezik: az óriásbolygóknak nincs szilárd felszíne. A vastag, főleg hidrogénből és héliumból álló légkör alatt a Jupiter és a Szaturnusz esetében folyékony, fémes hidrogénréteg és egy kb. néhány földtömegnyi, jeges-sziklás mag található. Az Uránusz és a Neptunusz belsejéből jelenlegi tudásunk alapján a folyékony, fémes közeg hiányzik, ugyanakkor a szilárd mag arányaiban jóval nagyobb, mint az előző két planéta esetében.

A R. Jeanloz (University of California Berkeley) és L. Stixrude (University College London) által vezetett kutatócsoport a Jupiter és a Szaturnusz belsejében nagy mennyiségben található, cseppfolyós állapotú, fémes tulajdonságokkal rendelkező anyaggal kapcsolatban végzett számításokat. A közeg fémes jellegét az elektromos vezetőképesség adja: a hidrogén-folyadékban a protonok és az elektronok nincsenek atomokká összekapcsolódva, s az anyag ebben az állapotban jól vezeti az elektromos áramot (ellentétben a molekuláris gázfázissal). Ennek a folyadékburoknak kulcsfontosságú szerepe van a Jupiter és a Szaturnusz erős mágneses terének kialakulásában és fenntartásában. Az előbb bemutatott anyagi állapot a két óriásbolygó megfelelő mélységű rétegeiben uralkodó kb. 10-20 ezer kelvines hőmérséklet, valamint 5-10 millió atmoszféra nyomás jelenlétében jöhet létre.

A szakemberek főként arra voltak kíváncsiak, hogy a hidrogén mellett a hélium is jelen lehet-e ebben a halmazállapotban. Az eddigi tanulmányok leginkább az óriásbolygók hidrogénkészletének tulajdonságait vizsgálták, ami nem meglepő, hiszen ez alkotja anyaguk 85-90 százalékát, míg a hélium részaránya csupán 10 százalék körüli (ez az összetétel nagyon hasonló lehet ahhoz az ősi gázfelhőéhez, amelyből az egész Naprendszer kialakult).

Jeanloz, Stixrude és kollégáik a hélium esetében futtattak le hosszú, kvantumfizikai modellekre épülő numerikus számításokat, kellően széles hőmérsékleti és nyomástartományokban. A kutatók korábban azt gondolták, hogy a héliumhoz hasonló elemek esetében a magas hőmérséklet nem kedvez a vezetőképesség kialakulásának, mert a részecskék túl gyorsan mozognak és túl sűrűn ütköznek. A most elvégzett szimulációk viszont azt mutatták, hogy a Jupiter, illetve a Szaturnusz mélyebb rétegeiben lévő hőmérsékleten és nyomáson a hélium cseppfolyós állapotú, jó vezetőképességű közeggé alakulhat. Kísérletileg korábban már kimutatták, hogy magas hőmérsékleteken a hélium hajlamos lehet az ilyen típusú átalakulásra, de a laboratóriumokban elérhető maximális hőmérséklet és nyomás jóval alacsonyabb volt az óriásbolygók belsejében lévőnél.

Egy másik friss felfedezés szerint a fémes hidrogén kialakulásához az eddig feltételezettnél alacsonyabb hőmérséklet is elegendő. A két új eredmény pedig megdöntheti azt a régi elképzelést, miszerint a hidrogén és a hélium túl eltérő tulajdonságaik miatt nem létezhet egymással keveredett állapotban. Jeanloz-ék véleménye szerint a fémes, folyékony halmazállapotban létrejöhet egyfajta hidrogén-hélium elegy.

Ez pedig egy másik régi elméletet is romba dönthet. A Jupiterről és a Szaturnuszról régóta tudják, hogy kicsit több energiát sugároznak ki, mint amennyit a Naptól kapnak. A plusz energia forrásaként a kutatók főleg a két bolygó gravitációs összehúzódását, illetve ezáltali hőmérséklet-növekedését jelölik meg; ugyanakkor léteznek alternatív ötletek is. Az egyik ilyen elképzelés szerint a planéták külső légkörében kicsapódó hélium-cseppek a mélyebb rétegekbe áramlanak, növelve ezzel a gravitációs összenergiát. Azonban ha a fémes hidrogén és hélium az eddig becsültnél homogénabb közegként van jelen, akkor ilyen "héliumesők" kialakulásának esélye igencsak csekély.

A tanulmányt az Amerikai Tudományos Akadémia egyik, Proceedings of the National Academy of Sciences című kiadványában közölték.