Одна из теорий заключается в том, что примерно на полпути к ядру Юпитера давление и температура становятся настолько высокими, что водород, составляющий 90 процентов планеты — молекулярный газ на Земле — теряет контроль над своими электронами и начинает вести себя как жидкий металл. Океаны жидкого металлического водорода, окружающие ядро ??Юпитера, могут объяснить его мощное магнитное поле.
Но как и когда происходит этот переход от газа к жидкому металлу? Как себя ведет? Исследователи надеются, что «Юнона» прольет свет на это экзотическое состояние водорода, но для его изучения необязательно путешествовать до Юпитера.На расстоянии четырехсот миллионов миль, в маленькой комнатке без окон в подвале лаборатории Лайман на Оксфорд-стрит в Кембридже, штат Массачусетс, на долю доли секунды находился небольшой кусочек Юпитера.
Ранее в этом году в эксперименте длиной около пяти футов исследователи Гарвардского университета заявили, что они наблюдали доказательства резкого перехода водорода из жидкого изолятора в жидкий металл. Это один из первых случаев, когда подобный переход наблюдается в каком-либо эксперименте.Они опубликовали свое исследование в Physical Review B.«Это планетарная наука на скамейке», — сказал Мохамед Загху, NASA Earth.
Научный сотрудник Гарвардской школы инженерных и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS). «Вопрос о том, как водород переходит в металлическое состояние — будь то резкий переход или нет — имеет огромное значение для планетологии.
То, как водород переходит внутри Юпитера, например, многое говорит об эволюции, температуре и структура недр этих газовых гигантов ".В эксперименте Загу, Ашкан Саламат и старший автор Исаак Сильвера, профессор естественных наук Томаса Д. Кэбота, воссоздали экстремальные давления и температуры Юпитера, сжимая образец водорода между двумя алмазными наконечниками шириной около 100 микрон. и стрельба короткими очередями лазеров с возрастающей интенсивностью для повышения температуры.Эта экспериментальная установка значительно меньше и дешевле, чем другие современные методы получения металлического водорода, большинство из которых основаны на огромных пушках или лазерах, которые генерируют ударные волны для нагрева и повышения давления водорода.
Переход жидкости в металлический водород происходит слишком быстро, чтобы человеческий глаз мог наблюдать, и образец хранится всего лишь доли секунды, прежде чем он испортится. Таким образом, вместо того, чтобы наблюдать за самим образцом для доказательства перехода, команда наблюдала за лазерами, направленными на образец. Когда происходил фазовый переход, лазеры резко отражались.
«В какой-то момент водород внезапно перешел из изолирующего прозрачного состояния, такого как стекло, в блестящее металлическое состояние, отражающее свет, например, медь, золото или любой другой металл», — сказал Загху. «Поскольку этот эксперимент, в отличие от экспериментов с ударной волной, не является разрушительным, мы могли бы проводить эксперимент непрерывно, проводя измерения и мониторинг в течение недель и месяцев, чтобы узнать о переходе».«Это простейшая и наиболее фундаментальная атомная система, но современная теория имеет большие расхождения в предсказаниях давления перехода», — сказал Сильвера. «Наши наблюдения служат важным руководством к современной теории».Результаты представляют собой кульминацию десятилетий исследований группы Сильвера. Собранные данные могут дать ответы на некоторые фундаментальные вопросы о происхождении солнечных систем.
Металлический водород также имеет важные разветвления здесь, на Земле, особенно в области энергетики и материаловедения.«Многие люди говорят о водородной экономике, потому что водород горюче чистый и его очень много», — сказал Загху. «Если вы можете сжать водород до высокой плотности, в нем будет сжато много энергии».«В качестве ракетного топлива металлический водород совершит революцию в ракетной технике, поскольку он на порядок более мощный, чем любое известное химическое вещество», — сказал Силвера. «Это может сократить время, необходимое для полета на Марс, с девяти до двух месяцев, что изменит перспективы космических исследований человека».
Металлический водород можно использовать для создания сверхпроводников при комнатной температуре или даже при температуре выше комнатной.По словам Загху, миссия Juno идет рука об руку с лабораторными экспериментами с металлическим водородом.
«Измерения магнитного поля Юпитера, которые будет собирать Juno, напрямую связаны с нашими данными», — сказал он. «Мы не конкурируем с НАСА, но в некотором смысле мы первыми добрались до Юпитера».