Учени създадоха метален водород, за да разкрият мистерията на динамо-ефекта

Металният водород е един от най-редките материали тук на Земята, но повече от 80 процента от планетите, включително Юпитер, Сатурн и стотици планети извън Слънчевата система, са съставени от тази екзотична форма на материята.

Нейното изобилие в нашата Слънчева система – въпреки рядкостта й на Земята – прави металния водород интригуващ фокус за изследователите от Лабораторията по Лазерна Енергетика (LLE) на Университета в Рочестър, където изучават образуването и еволюцията на планетите, включително как те формират магнитни щитове в и извън Слънчевата система.

„Металният водород е най-богатата форма на материята в нашата планетарна система“, казва Мохамед Загху, изследовател в LLE. „Жалко е, че нямаме естествен метален водород тук на Земята, но на Юпитер има океани с метален водород. Искаме да разберем как тези океани пораждат огромното магнитно поле на Юпитер.“

Загху и Гилбърт „Рип“ Колинс, професор по машиностроене и физика и директор на програма за високи енергийни плътности в Рочестър, изследват проводимостта на металния водород за по-нататъшно разкриване на тайните на динамо ефекта – механизмът, който генерира магнитни полета на планети, включително на Земята. Те публикуват своите открития в Astrophysical Journal.

Всеки елемент действа по различен начин при интензивно налягане и температура. При нагряване на вода например, се генерира газ под формата на водна пара; замразяването й създава твърд лед. Водородът обикновено е газ, но при високи температури и налягане – условията, които съществуват на планети като Юпитер – водородът, приема свойствата на течен метал и се държат като електрически проводник.

Въпреки че учените теоретизират десетилетия наред за наличието на метален водород, почти невъзможно е да се създаде такъв на Земята. „Условията за създаване на метален водород са толкова екстремни, че макар да има изобилие от метален водород в нашата Слънчева система, той съществува само на няколко места на Земята“, казва Загху. LLE е едно от тези места.

В LLE, изследователите използват мощен OMEGA лазер за излъчване на импулси към водородна капсула. Лазерът прониква върху пробата, като създава условия за високотемпературно състояние с високо налягане, което позволява на плътно свързаните водородни атоми да се разделят. Когато това се случи, водородът се превръща от газообразно състояние в лъскаво течно състояние, подобно на елемента живак.

Чрез изучаване на проводимостта на металния водород, Загху и Колинс могат да изградят по-точен модел на динамо ефекта – процеса, при който кинетичната енергия на провеждането на движещи се течности се превръща в магнитна енергия. Газовите гиганти като Юпитер имат много силен динамо ефект, но механизмът също присъства дълбоко в Земята, във външното й ядро. Това динамо създава нашето собствено магнитно поле, което прави нашата планета обитаема, като ни предпазва от вредните слънчеви и космически частици.

Изследователите могат да картографират магнитното поле на Земята, но тъй като Земята има магнитна кора, спътниците не могат да видят достатъчно дълбоко в планетата, за да наблюдават динамото в действие. Юпитер, от друга страна, няма тази бариера на кората. Това прави относително по-лесно за спътниците – като космическата сонда Джуно на НАСА, понастоящем в орбита около Юпитер – да наблюдават дълбоките структури на планетата, казва Колинс.

„Много е интересно да можем да характеризираме едно от най-интересните състояния на материята, течния метален водород, тук в лабораторията и да използваме това знание, за да интерпретираме сателитни данни от космическа сонда, а след това да приложим всичко това и към планети извън Слънчевата система“.

Загху и Колинс са фокусирали изследванията си върху връзката между металния водород и началото на действието на динамото, включително дълбочината, в която се формира динамото на Юпитер. Те открили, че динамото на газови гиганти като Юпитер е вероятно да се задейства по-близо до повърхността – където металният водород е най-проводим – в сравнение с динамото на Земята. Тези данни, съчетани с данни идващи от Джуно, могат да бъдат включени в симулирани модели, които ще позволят по-пълна картина на динамо ефекта.

„Част от задачата на „Джуно“ е да се опитаме да разберем магнитното поле на Юпитер“, казва Загху. „Ключов допълващ елемент от данните на Джуно е колко проводим водород се намира на различни дълбочини в планетата. Трябва да вградим това в нашите модели, за да направим по-добри прогнози за състава и еволюцията на планетата.“

По-доброто разбиране на планетите в нашата собствена Слънчева система също така дава по-добра представа за магнитната екранизация на екзопланетите извън Слънчевата система и може да помогне да се определи възможността за живот на други планети. Изследванията отдавна са показали, че планетите с магнитни полета са по-способни да поддържат атмосфера и поради това са по-подходящи да подслонят някакви форми на живот, казва Загху.

„Динамо теорията и магнитните полета са ключови условия за обитаване на дадена планета. Има стотици екзопланети открити извън нашата Слънчева система и мислим, че много от тези планети са като Юпитер и Сатурн. Ние все още не можем да отидем на тези планети, но можем да приложим нашите знания за супер гигантите в нашата Слънчева система, за да направим модели на това, какви са тези планети.