「金屬氫？」研究人員揭開了更多該物質的神秘面紗

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。 羅切斯特大學激光能量學實驗室的研究人員在實驗室中研究了金屬氫，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（金屬氫是液態或固態氫在上百萬大氣壓的高壓下變成的導電體。導電性類似於金屬，故稱金屬氫。 金屬氫是一種高密度、高儲能材料，之前的預測中表明，金屬氫是一種室溫超導體。金屬氫內儲藏著巨大的能量，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，土星和數百個太陽系外行星）都是由這種異乎尋常的物質組成的。

它在太陽系中的豐富（儘管它在地球上很罕見）使得金屬氫成為羅切斯特大學激光能量學實驗室（LLE）研究人員研究行星形成和演化的一個有趣焦點，即包括我們太陽系內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中最豐富的物質形式，遺憾的是在地球上我們沒有自然地擁有這些物質，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生木星巨大的磁場。」Zaghoo和Gilbert"Rip"Collins（機械工程和物理學教授，羅切斯特高能量密度物理項目主任。）研究了金屬氫的電導率，以進一步揭開電磁效應的神秘面紗，即在包括地球在內的行星上產生磁場的機制。他們在《 Astrophysical Journal》雜誌上發表了他們的成果。

在LLE創造金屬氫

在極端的壓力和溫度下，每種元素的狀態都不一樣，例如，加熱水產生水蒸氣形式的氣體，冷凍它會產生堅硬的冰。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存在的條件）具有液態金屬的特性，其物質性質類似於電導體。

儘管幾十年來科學家們對金屬氫的存在進行了理論研究，但幾乎不可能在地球上創造。Zaghoo說：「創造金屬氫的條件非常極端，儘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造了一些，LLE就是其中之一。」

木星的一個重大謎團是該星體如何產生強大的磁場，這是我們太陽系中最強大的磁場。木星磁場的關鍵可能在於了解木星核心周圍的金屬氫的性（包括電導率）。圖片來源：羅徹斯特大學激光能量學實驗室

在LLE，研究人員使用強大的OMEGA激光器在氫氣囊上發射脈衝。激光撞擊樣品形成高壓和高溫條件，使緊密結合的氫原子斷裂。當這種情況發生時，氫氣從氣態轉變為閃亮的液態，就像元素汞一樣。

了解電磁效應

通過研究金屬氫的電導率，Zaghoo和Collins能夠建立更準確的電磁效應模型，即一種將磁流體轉化為磁能的過程。像木星這樣的氣體巨星具有非常強大的電磁效應，但其機制也同樣存在於地球深處，在外核中。這種電磁效應創造了我們自己的磁場，保護我們免受有害太陽粒子的影響，使我們的星球適合居住，研究人員可以繪製地球的磁場圖，但是，由於地球上有磁性地殼，衛星看不到我們的星球深處（為了觀察電磁的運行情況）。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）的衛星相對容易觀察到行星的深部結構。柯林斯說：「這可以能夠描述一種最有趣的物質狀態，即液體金屬氫，在實驗室中，利用這些知識來解釋太空探測器的衛星數據，然後將其全部應用於太陽系外行星，這是非常合適的。」

Zaghoo和Collins將他們的研究重點放在金屬氫與電磁效應開始之間的關係上，包括木星電磁效應形成的深度。他們發現像木星這樣的氣體巨行星的電磁效應可能更接近地表（因為金屬氫最具傳導性）比地球上電磁效應更強。這些數據與Juno的想法相結合，可以應用到模擬模型中，從而可以更全面地了解星體電磁效應。

Zaghoo說：「Juno的部分任務是試圖了解木星的磁場，Juno數據的一個關鍵補充部分就是導電氫在行星內的不同深度。我們需要將其構建到我們的模型中，以便更好地預測當前行星的構成和演化。」

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，並可能有助於確定其他行星上的生命可能性。長期以來的研究一直認為，具有磁場的行星能夠更好地維持氣態環境，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鍵條件。我們每年在太陽系外發現有數百顆系外行星，我們認為這些行星中有許多像木星和土星。我們不能去達到這些行星，但我們可以運用我們對自己太陽系中超級巨星的知識來製作的模型用以推測這些行星可能是什麼樣的。」

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