金屬氫是地球上最稀有的材料之一，但它占木星等行星的80％以上。 羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員在實(shí)驗(yàn)室中研究了金屬氫，用以研究木星的磁場(chǎng)。該研究對(duì)行星的形成和演化有影響，包括太陽(yáng)系內(nèi)外的行星如何形成磁屏蔽具有重要作用。圖片來(lái)源：NASA / JPL

    金屬氫（金屬氫是液態(tài)或固態(tài)氫在上百萬(wàn)大氣壓的高壓下變成的導(dǎo)電體。導(dǎo)電性類似于金屬，故稱金屬氫。 金屬氫是一種高密度、高儲(chǔ)能材料，之前的預(yù)測(cè)中表明，金屬氫是一種室溫超導(dǎo)體。金屬氫內(nèi)儲(chǔ)藏著巨大的能量，比普通TNT炸藥大30─40倍。）是地球上最稀有的材料之一，但超過(guò)80％的行星（包括木星，土星和數(shù)百個(gè)太陽(yáng)系外行星）都是由這種異乎尋常的物質(zhì)組成的。

    它在太陽(yáng)系中的豐富（盡管它在地球上很罕見(jiàn)）使得金屬氫成為羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LLE）研究人員研究行星形成和演化的一個(gè)有趣焦點(diǎn)，即包括我們太陽(yáng)系內(nèi)外的行星如何形成磁屏蔽。

    LLE的研究助理Mohamed Zaghoo說(shuō)：“金屬氫是我們行星系統(tǒng)中最豐富的物質(zhì)形式，遺憾的是在地球上我們沒(méi)有自然地?fù)碛羞@些物質(zhì)，但在木星上，有豐富金屬氫（形成金屬氫海洋）。我們想知道這些海洋如何產(chǎn)生木星巨大的磁場(chǎng)。”Zaghoo和Gilbert'Rip'Collins（機(jī)械工程和物理學(xué)教授，羅切斯特高能量密度物理項(xiàng)目主任。）研究了金屬氫的電導(dǎo)率，以進(jìn)一步揭開(kāi)電磁效應(yīng)的神秘面紗，即在包括地球在內(nèi)的行星上產(chǎn)生磁場(chǎng)的機(jī)制。他們?cè)凇?Astrophysical Journal》雜志上發(fā)表了他們的成果。

    在LLE創(chuàng)造金屬氫

    在極端的壓力和溫度下，每種元素的狀態(tài)都不一樣，例如，加熱水產(chǎn)生水蒸氣形式的氣體，冷凍它會(huì)產(chǎn)生堅(jiān)硬的冰。氫氣通常是一種氣體，但在高溫和高壓下（木星和氫氣等行星內(nèi)存在的條件）具有液態(tài)金屬的特性，其物質(zhì)性質(zhì)類似于電導(dǎo)體。

    盡管幾十年來(lái)科學(xué)家們對(duì)金屬氫的存在進(jìn)行了理論研究，但幾乎不可能在地球上創(chuàng)造。Zaghoo說(shuō)：“創(chuàng)造金屬氫的條件非常極端，盡管我們的太陽(yáng)系中金屬氫含量很高，但它只在地球上某些地方創(chuàng)造了一些，LLE就是其中之一。”

木星的一個(gè)重大謎團(tuán)是該星體如何產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，這是我們太陽(yáng)系中最強(qiáng)大的磁場(chǎng)。木星磁場(chǎng)的關(guān)鍵可能在于了解木星核心周圍的金屬氫的性（包括電導(dǎo)率）。圖片來(lái)源：羅徹斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室

    在LLE，研究人員使用強(qiáng)大的OMEGA激光器在氫氣囊上發(fā)射脈沖。激光撞擊樣品形成高壓和高溫條件，使緊密結(jié)合的氫原子斷裂。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，氫氣從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚W亮的液態(tài)，就像元素汞一樣。

    了解電磁效應(yīng)

    通過(guò)研究金屬氫的電導(dǎo)率，Zaghoo和Collins能夠建立更準(zhǔn)確的電磁效應(yīng)模型，即一種將磁流體轉(zhuǎn)化為磁能的過(guò)程。像木星這樣的氣體巨星具有非常強(qiáng)大的電磁效應(yīng)，但其機(jī)制也同樣存在于地球深處，在外核中。這種電磁效應(yīng)創(chuàng)造了我們自己的磁場(chǎng)，保護(hù)我們免受有害太陽(yáng)粒子的影響，使我們的星球適合居住，研究人員可以繪制地球的磁場(chǎng)圖，但是，由于地球上有磁性地殼，衛(wèi)星看不到我們的星球深處（為了觀察電磁的運(yùn)行情況）。另一方面，木星沒(méi)有地殼屏障。這使得像NASA的Juno太空探測(cè)器（目前在木星軌道上）的衛(wèi)星相對(duì)容易觀察到行星的深部結(jié)構(gòu)。柯林斯說(shuō)：“這可以能夠描述一種最有趣的物質(zhì)狀態(tài)，即液體金屬氫，在實(shí)驗(yàn)室中，利用這些知識(shí)來(lái)解釋太空探測(cè)器的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后將其全部應(yīng)用于太陽(yáng)系外行星，這是非常合適的。”

    Zaghoo和Collins將他們的研究重點(diǎn)放在金屬氫與電磁效應(yīng)開(kāi)始之間的關(guān)系上，包括木星電磁效應(yīng)形成的深度。他們發(fā)現(xiàn)像木星這樣的氣體巨行星的電磁效應(yīng)可能更接近地表（因?yàn)榻饘贇渥罹邆鲗?dǎo)性）比地球上電磁效應(yīng)更強(qiáng)。這些數(shù)據(jù)與Juno的想法相結(jié)合，可以應(yīng)用到模擬模型中，從而可以更全面地了解星體電磁效應(yīng)。

    Zaghoo說(shuō)：“Juno的部分任務(wù)是試圖了解木星的磁場(chǎng)，Juno數(shù)據(jù)的一個(gè)關(guān)鍵補(bǔ)充部分就是導(dǎo)電氫在行星內(nèi)的不同深度。我們需要將其構(gòu)建到我們的模型中，以便更好地預(yù)測(cè)當(dāng)前行星的構(gòu)成和演化。”

    更好地了解我們太陽(yáng)系中的行星，也可以更深入地了解太陽(yáng)系外太陽(yáng)系外磁屏蔽作用，并可能有助于確定其他行星上的生命可能性。長(zhǎng)期以來(lái)的研究一直認(rèn)為，具有磁場(chǎng)的行星能夠更好地維持氣態(tài)環(huán)境，因此更有可能擁有生命。 Zaghoo說(shuō)：“星體電磁理論和磁場(chǎng)是可居住性的關(guān)鍵條件。我們每年在太陽(yáng)系外發(fā)現(xiàn)有數(shù)百顆系外行星，我們認(rèn)為這些行星中有許多像木星和土星。我們不能去達(dá)到這些行星，但我們可以運(yùn)用我們對(duì)自己太陽(yáng)系中超級(jí)巨星的知識(shí)來(lái)制作的模型用以推測(cè)這些行星可能是什么樣的。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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