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。該研究對行星的形成和演化有影響，包括太陽系內(nèi)外的行星如何形成磁屏蔽具有重要作用。圖片來源：NASA / JPL

    金屬氫（金屬氫是液態(tài)或固態(tài)氫在上百萬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、高儲能材料，之前的預(yù)測中表明，金屬氫是一種室溫超導(dǎo)體。金屬氫內(nèi)儲藏著巨大的能量，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80％的行星（包括木星，土星和數(shù)百個(gè)太陽系外行星）都是由這種異乎尋常的物質(zhì)組成的。

    它在太陽系中的豐富（盡管它在地球上很罕見）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)，即包括我們太陽系內(nèi)外的行星如何形成磁屏蔽。

    LLE的研究助理Mohamed Zaghoo說：“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。”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)生磁場的機(jī)制。他們在《 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。

    盡管幾十年來科學(xué)家們對金屬氫的存在進(jìn)行了理論研究，但幾乎不可能在地球上創(chuàng)造。Zaghoo說：“創(chuàng)造金屬氫的條件非常極端，盡管我們的太陽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，這是我們太陽系中最強(qiáng)大的磁場。木星磁場的關(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，保護(hù)我們免受有害太陽粒子的影響，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，木星沒有地殼屏障。這使得像NASA的Juno太空探測器（目前在木星軌道上）的衛(wèi)星相對容易觀察到行星的深部結(jié)構(gòu)。柯林斯說：“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，利用這些知識來解釋太空探測器的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后將其全部應(yīng)用于太陽系外行星，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：“Juno的部分任務(wù)是試圖了解木星的磁場，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)測當(dāng)前行星的構(gòu)成和演化。”

    更好地了解我們太陽系中的行星，也可以更深入地了解太陽系外太陽系外磁屏蔽作用，并可能有助于確定其他行星上的生命可能性。長期以來的研究一直認(rèn)為，具有磁場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：“星體電磁理論和磁場是可居住性的關(guān)鍵條件。我們每年在太陽系外發(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)用我們對自己太陽系中超級巨星的知識來制作的模型用以推測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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