科學家終於揭開金屬氫的更多神秘面紗

金屬氫是地球上最稀有的物質之一，但超過80%的行星——包括木星、土星和數百顆太陽系外行星——都是由這種奇異的物質組成。儘管金屬氫在地球上很罕見，但它在我們的太陽系中含量豐富，這使得羅切斯特大學激光能量學實驗室(LLE)的研究人員非常關注金屬氫，他們研究行星的形成和演化，包括太陽系內外的行星如何形成磁場屏障。該組織的研究員Mohamed Zaghoo說：金屬氫是我們的行星系統中最豐富的物質形式，遺憾的是我們在地球上沒有天然的金屬氫，但在木星上，卻有金屬氫的海洋。我們想知道這些海洋是如何產生木星巨大磁場的。

博科園-科學科普：Zaghoo和Gilbert「Rip」Collins是機械工程和物理學教授，同時也是羅切斯特大學高能量密度物理項目的負責人，他們研究了金屬氫的導電性，進一步揭開了發電機效應的奧秘——在包括地球在內的行星上產生磁場的機制。並在《天體物理學》上發表了他們的發現。在強烈的壓力和溫度下，每種元素的作用都不一樣。例如加熱水會產生水蒸氣形式的氣體，冷凍會產生固態冰。氫通常是一種氣體，但在高溫和高壓下（比如木星）氫具有液態金屬的性質，表現得像導體。儘管科學家們幾十年來一直在理論化金屬氫的存在，但在地球上幾乎不可能產生金屬氫。「產生金屬氫的條件是如此極端，雖然我們的太陽系中有大量的金屬氫，但它只在地球上的幾個地方被創造出來，這是其中一個地方。

金屬氫是地球上最稀有的物質之一，但它卻占木星等行星的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創造了金屬氫來研究木星的磁場。這項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場屏障。圖片：NASA / JPL

在LLE，研究人員使用強大的歐米茄激光在氫膠囊上發射脈衝。激光撞擊樣品，形成高壓的高溫狀態，使緊密結合的氫原子斷裂。當這種情況發生時，氫從氣態變成了閃亮的液態，就像元素汞一樣。通過研究金屬氫的電導率，Zaghoo和Collins能夠建立一個更精確的發電機效應模型——在這個過程中，傳導流體的動能轉化為磁場能量。像木星這樣的氣態巨星有一個非常強大的發電機，但是這種機制也存在於地球深處，也就是地核。這台發電機創造了我們自己的磁場，使我們的星球適合居住，保護我們免受有害太陽粒子的侵害。研究人員可以繪製出地球磁場的分布圖，但由於地球有一個地磁外殼，衛星無法看到地球內部足夠遠的地方，以觀察正在運行的發電機。

另一方面，木星沒有地殼屏障，這使得衛星——比如目前在木星軌道上運行的美國宇航局的朱諾太空探測器——更容易觀察到木星的深層結構。在實驗室里，能夠描述出物質最有趣的狀態之一：液態金屬氫的特徵，利用這些知識來解釋太空探測器上的衛星數據，然後把這些都應用到太陽系外的行星上。Zaghoo和Collins的研究重點是金屬氫與發電機作用的關係，包括木星發電機形成的深度。發現像木星這樣的氣態巨星的發電機很可能比地球的發電機更靠近地表——金屬氫的導電性最強。這些數據與朱諾的啟示結合在一起，可以被納入到模擬模型中，以便更完整地描述發電機的影響。

木星最大的謎團之一是它如何產生強大的磁場，這是太陽系中最強的磁場。木星磁場的關鍵可能在於了解環繞著木星核心的金屬氫的性質(包括導電性)。圖片：University of Rochester illustration / Rodi Keisidis, Laboratory for Laser Energetics

朱諾號任務的一部分任務是試圖了解木星的磁場，朱諾數據的一個關鍵補充就是氫在地球內部不同深度處的導電能力。需要在我們的模型中建立這個模型，以便更好地預測當前行星的組成和演化。更好地了解我們太陽系中的行星，還能讓我們更深入地了解太陽系外的系外行星的磁場屏蔽，並可能有助於確定在其他行星上存在生命的可能性。長期以來，研究人員一直認為擁有磁場的行星能夠更好地維持氣體大氣，因此更有可能孕育生命，發電機理論和磁場是可居住性的關鍵條件。每年有數百顆太陽系外的系外行星被發現，我們認為這些行星中有許多像木星和土星。還不能去這些行星，但是可以運用我們的知識來了解我們太陽系中的超級巨星，來製造這些行星的模型。

博科園-科學科普｜參考期刊：天體物理學｜研究/來自：羅徹斯特大學

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