近40年前，科學家們首次預測在主要由氫和氦組成的行星內存在氦氣雨，如木星和土星。然而，實現驗證這一假設所需的實驗條件卻顯示一直是不可能的-直到現在。在《自然》雜誌2021年5月26日發表的一篇論文中，科學家們揭示了支持這一長期預測的實驗證據，表明在一定範圍的壓力和溫度條件下，氦雨是可能的，這些條件反映了預計在這些行星內發生的情況。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的物理學家和該出版物的共同作者Marius Millot說：”我們發現氦氣雨是真實的，並且可以在木星和土星中發生。這對於幫助行星科學家破譯這些行星是如何形成和演變的非常重要，這對於理解太陽係是如何形成的至關重要。”

“木星特別有趣，因為它被認為幫助保護了地球形成的行星內部區域，”共同作者、加利福尼亞大學伯克利分校地球和行星科學及天文學教授Raymond Jeanloz補充說。”我們可能是因為木星而在這裡。”

這個國際研究小組包括來自LLNL、法國替代能源和原子能委員會、羅切斯特大學和加州大學伯克利分校的科學家，他們在羅切斯特大學的激光能量學實驗室（LLE）進行實驗。

“將靜態壓縮和激光驅動的衝擊耦合在一起，是讓我們達到與木星和土星內部相當的條件的關鍵，但它非常具有挑戰性，”Millot說。”我們真的不得不在技術上下功夫，以獲得令人信服的證據。這花了很多年時間，也花了團隊很多的創造力”。

該團隊使用鑽石砧板單元將氫和氦的混合物壓縮到4千兆帕，（GPa；約為地球大氣的4萬倍）。然後，科學家們使用LLE的歐米茄激光器的12個巨大光束來發射強烈的衝擊波，進一步將樣品壓縮到60-180GPa的最終壓力，並將其加熱到幾千度。一個類似的方法是發現超離子水冰的關鍵。

使用一系列超快診斷工具，研究小組測量了衝擊速度、衝擊壓縮樣品的光學反射率及其熱輻射，發現樣品的反射率並沒有像研究人員用類似測量方法研究的大多數樣品那樣，隨著衝擊壓力的增加而平滑增加。相反，他們在觀察到的反射率信號中發現了不連續現象，這表明樣品的電導率正在突然變化，這是氦和氫混合物分離的一個標誌。在2011年發表的一篇論文中，LLNL的科學家Sebastien Hamel、Miguel Morales和Eric Sc​​hwegler建議使用光學反射率的變化作為脫混過程的探測器。

“我們的實驗為一個長期存在的預測揭示了實驗證據。有一個壓力和溫度的範圍，在這個範圍內，這種混合物變得不穩定並脫混，” Millot說。”這種轉變發生在接近將氫氣轉化為金屬流體所需的壓力和溫度條件下，直觀的情況是，氫氣金屬化引發了脫混。”

由於微妙的量子效應，數字模擬這種脫混過程是具有挑戰性的。這些實驗為理論和數值模擬提供了一個關鍵的基準。展望未來，該團隊將繼續完善測量，並將其擴展到其他成分，繼續追求提高我們對極端條件下材料的理解。