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科学家终于揭开液态金属氢的神秘面纱

2018-8-8 环球解密

金属氢是地球上最稀有的材料之一,但却在太阳系中大量存在。超过80%的行星,包括木星、土星甚至于数百颗太阳系外行星,都是由这种奇特的物质构成的。

因此,美国罗切斯特大学激光能量学实验室(Laboratory for Laser Energetics)的科学家们对金属氢产生了浓厚的兴趣。他们研究行星的生成和演化过程,包括我们太阳系内及系外行星如何形成磁屏蔽。

实验室助理研究员Mohamed Zaghoo表示,木星上存在着大量的金属氢,同时也拥有太阳系中最为强大的磁屏蔽,这是木星最大的奥秘之一。

Zaghoo和机械工程学及物理学教授、高能量密度物理项目负责人Gilbert Collins共同对木星内核周围的金属氢的特性、包括电导率进行了探索,进一步揭示了电磁效应的奥秘,这是一种在行星上形成磁屏蔽的机制。该研究结果发表在《天体物理期刊》(Astrophysical Journal)上。

在极端条件下生成金属氢

在极端压力和温度下,每种元素的状态都不一样。比如,水加热后会产生水蒸气,冰冻后会形成固态冰。氢通常是一种气体,但在高温高压下却以液态金属的形式存在,其性质就像电导体。在类似木星的行星内,就存在这种高温高压条件。

科学家们已经对金属氢进行了数十年的理论研究,但因其生成条件的极端性,在地球上仅有几个地方能将其制造出来,罗切斯特大学激光能量学实验室就是其中一处。

在这里,研究团队使用强大的OMEGA激光器向氢气囊上发射脉冲。激光撞击样本,形成高压高温条件,使紧密结合的氢原子断裂,氢气从气态转变为闪亮的液态,就像汞元素一样。

电磁效应

通过研究金属氢的电导率,Zaghoo和Collins建立了更准确的电磁效应模型。像木星这样的气体巨星具有非常强大的电磁效应,该机制也同样存在于地球深处的外核中。这种电磁效应创造了地球磁场,保护人类免受有害太阳粒子的影响,使地球适合我们居住。

科学家能绘制出地球的磁场图,但由于地球有磁性地壳,卫星看不到地球深处的电磁活动。而木星没有地壳屏障,这使得卫星较容易观察到其深部结构,如当前环绕木星运行的美国国家航空航天局(NASA)的Juno太空探测器。

Collins表示:“能够描述液体金属氢这种最有趣的物质状态之一,并在实验室中利用这些知识来解释太空探测器获得的卫星资料,然后将其全部应用于太阳系外行星,这很令人振奋。”

Zaghoo和Collins将研究重点放在金属氢与电磁效应开始之间的关系上,包括木星电磁效应形成的深度。他们发现,与地球的电磁效应相比,像木星这样的气体巨星的电磁效应可能更接近地表,因为那里的金属氢最具传导性。将这些与Juno的资料相结合并应用到模型中,就能更全面地了解星体的电磁效应。

这也有助于科学家们深入探索系外行星的磁屏蔽,并判断其它行星上生命存在的可能性。Zaghoo表示,科学界认为,电磁理论和磁屏蔽是星球可居住性的关键条件,有磁屏蔽的行星能够更好地维持大气层,因而也更适合生命生存。我们每年都能发现数百颗系外行星,其中很多类似木星和土星。虽说无法前往,但用我们所了解到的太阳系巨星的知识来建立模型,就能大致推测那些系外行星的状态。

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