[論文レビュー] Equation of state and optical properties of shock-compressed C:H:N:O molecular mixtures

M. Guarguaglini, Jean‐Alexis Hernandez+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

High-pressure geophysics and materials参考文献 57被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、GEKKO XIIおよびLULI 2000でレーザー駆動衝撃を用いて、2.8 Mbarおよび24,000 Kまでの衝撃圧縮されたH₂OおよびC:H:N:O混合物の状態方程式と光学的反射率を測定した。水とC:H:N:O混合物は類似した状態方程式を示すが、後者はより高い反射率と導電性を示し、氷星における発電機メカニズムのモデル化に不可欠な強力な金属的性質を示していることが判明した。

ABSTRACT

Water, ethanol, and ammonia are the key components of the mantles of Uranus and Neptune. To improve structure and evolution models and give an explanation of the magnetic fields and luminosities of the icy giants, those components need to be characterised at planetary conditions (some Mbar and a few $10^3$ K). Those conditions are typical of the Warm Dense Matter regime, which exhibits a rich phase diagram, with the coexistence of many states of matter and a large variety of chemical processes. H$_2$O, C:H:O, and C:H:N:O mixtures have been compressed up to 2.8 Mbar along the principal Hugoniot using laser-driven decaying shocks. The experiments were performed at the GEKKO XII and LULI 2000 laser facilities using standard optical diagnostics (Doppler velocimetry and pyrometry) to characterise equation of state and optical reflectivity of the shocked states. The results show that H$_2$O and the C:H:N:O mixture share the same equation of state with a density scaling, while the reflectivity behaves differently by what concerns both the onset pressures and the saturation values. The reflectivity measurement at two frequencies allows to estimate the conductivity and the complex refractive index using a Drude model.

研究の動機と目的

• 氷星内部に相当する極限条件下における衝撃圧縮されたH₂OおよびC:H:N:O混合物の状態方程式と光学的性質を測定すること。
• Mbar圧力および10³ Kの温度における輸送および光学的性質の実験的データを提供することで、惑星内部モデルの不一致を解消すること。
• 実験的状態方程式データを用いて、C:H:N:O混合物に対する線形混合近似の有効性を評価すること。
• 二波長反射率測定から修正ドレーディー・モデルを用いて、電子的導電度および複素屈折率を推定すること。
• 純水とC:H:N:O混合物における反射率の発現および飽和の違いを調査し、惑星磁場生成に与える影響を検討すること。

提案手法

• 2.5 nsのレーザーパルス（それぞれ351 nmおよび527 nm）を用いて、大阪大学のGEKKO XIIおよびフランスのLULI 2000でレーザー駆動衝撃圧縮を実施し、位相プレートを用いた均一照射を実現した。
• 粒子速度、温度、衝撃圧力を主ヒュゴニオ線に沿って測定するために、ドップラー速度計測法およびピロメトリー（VISARおよびSOP診断）を用いた。
• 密度、圧力、内部エネルギーの測定値をもとに、流体力学的シミュレーションおよびヒュゴニオ制約を用いて状態方程式を導出した。
• 複素屈折率および電子的導電度を特定するために、532 nmおよび1064 nmでの光学的反射率を測定し、修正ドレーディー・モデルを適用した。
• 合成したウラヌス組成（C:H:N:O = 4:25:1:7）を用いて、ネプチューンおよびウラヌスの氷上マントルを模擬し、初期密度ρ₀ = 0.885 g/cm³とした。
• 反射率データを分析して、屈折率の実部および虚部が急激に上昇する点として、金属的性質の発現を定義した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純水とC:H:N:O混合物が2.8 Mbarまで衝撃圧縮された場合、それぞれの状態方程式はどのように比較されるか？
• RQ2 衝撃圧縮された水およびC:H:N:O混合物において、金属的性質への転移はどの圧力および密度で発生するか？
• RQ3 高圧下におけるC:H:N:O混合物の光学的反射率および導電度は、純水とどのように異なるか？
• RQ4 Mbar条件下における惑星的氷混合物に対して、線形混合近似はどの程度有効であるか？
• RQ5 観測された反射率および導電度の差異が、氷星における発電機メカニズムに与える影響は何か？

主な発見

• 初期密度でスケーリングした場合、C:H:N:O混合物の状態方程式は純水と区別できないため、惑星的条件下での線形混合近似の有効性が確認された。
• C:H:N:O混合物の反射率発現は0.8–0.9 Mbar（R₅₃₂ₙₘ = 2.9–5.8%）で発生するが、水は1.1–1.2 Mbar（R₅₃₂ₙₘ = 2.4–4.8%）で発生するため、混合物の方が低い圧力で金属的性質が現れる。
• 1.5 MbarでC:H:N:O混合物は1064 nmでの反射率が532 nmよりも高くなるため、強い金属的性質を示すが、水は依然として低い反射率を示す。
• 532 nmではC:H:N:O混合物が29%、水が24%に、1064 nmでは41%および34%にそれぞれ反射率が飽和するため、混合物の方が光学的不透明度が高いことが示された。
• 電気的導電度はC:H:N:O混合物で約4000 S/cm、水で約2600 S/cmに飽和し、混合物の方が電子的寄与が強いことが示された。
• 両材料の金属的性質への転移は2.5–2.8 g/cm³の密度で発生し、屈折率の実部および虚部が急激に上昇するため、プラズマ状態に類似した状態であることが一致した。