近40年前，科学家们首次预测，木星、土星等主要由氢和氦组成的行星将出现氦雨。然而，实现这一假设所需的实验条件表明，这是不可能的——直到现在。在2021年5月26日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，科学家们揭示了支持这一长期预测的实验证据，表明在一定范围的压力和温度条件下，氦雨是可能的，这些压力和温度条件反映了这些行星内预计会发生的事情。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的物理学家、该出版物的合著者马里乌斯米洛特说：“我们发现氦雨是真实存在的，可能发生在木星和土星。”。这对于帮助行星科学家解读这些行星是如何形成和演化的非常重要，这对于理解太阳系是如何形成的至关重要。”
“木星特别有趣，因为它被认为有助于保护地球形成的行星内部区域，”合著者、加州大学伯克利分校地球和行星科学及天文学教授雷蒙德·杰安洛兹补充说，“我们之所以来到这里，可能是因为木星。”
国际研究团队包括来自LLNL、法国替代能源和原子能委员会、罗切斯特大学和加州大学伯克利分校的科学家，他们在罗切斯特大学的激光能量学实验室（LLE）进行实验。
米洛特说：“将静态压缩与激光驱动的冲击相结合是使我们达到与木星和土星内部相同条件的关键，但这非常具有挑战性，我们真的必须在技术上下功夫才能获得令人信服的证据。这花了很多年的时间和团队的创造力。
研究小组使用钻石切碎板装置将氢和氦的混合物压缩到4吉帕（GPA；大约是地球大气层的40000倍）。然后，科学家们利用LLE公司的欧米茄激光器的12束巨大光束发射出强烈的冲击波，进一步将样品压缩到60-180 GPA的最终压力，并将其加热到几千度。类似的方法是发现超音速水冰的关键。
研究小组利用一系列超快诊断工具，测量了冲击压缩样品的冲击速度、光学反射率和热辐射，研究发现，样品的反射率并不像研究人员使用类似测量方法研究的大多数样品那样随着冲击压力的增加而平稳增加。相反，他们在观测到的反射信号中发现了不连续性，这表明样品的电导率突然发生变化，这是氦和氢混合物分离的迹象。在2011年发表的一篇论文中，LLNL的科学家Sebastien Hamel、Miguel Morales和Eric Schwegler建议使用光学反射率的变化作为分解过程的探测器。
“我们的实验揭示了长期预测的实验证据。在一定的压力和温度范围内，混合物变得不稳定和不混合，“米洛特说，这种转变发生在接近将氢转化为金属流体所需的压力和温度下，而且氢金属化导致不混合是很直观的。”
由于量子效应的存在，对这一过程的数值模拟具有很大的挑战性。这些实验为理论和数值模拟提供了一个重要的基准。展望未来，该团队将继续完善测量方法，并将其扩展到其他组件，并继续寻求提高我们对极端条件下材料的理解。