Forskere optrævler flere mysterier af metallisk brint

Metallisk brint er et af de sjældneste materialer på Jorden, endnu mere end 80 procent af planeterne – inklusive Jupiter, Saturn, og hundredvis af ekstrasolare planeter - er sammensat af denne eksotiske form af stof.

Dens overflod i vores solsystem - på trods af dets sjældenhed på Jorden - gør metallisk brint til et spændende fokus for forskere ved University of Rochesters Laboratory of Laser Energetics (LLE), der studerer planetdannelse og evolution, herunder hvordan planeter både inden for og uden for vores solsystem danner magnetiske skjolde.

"Metallisk brint er den mest forekommende form for stof i vores planetsystem, " siger Mohamed Zaghoo, en forskningsmedarbejder ved LLE. "Det er en skam, at vi ikke har det naturligt her på jorden, men på Jupiter, der er oceaner af metallisk brint. Vi ønsker at finde ud af, hvordan disse oceaner giver anledning til Jupiters enorme magnetfelt." Zaghoo og Gilbert 'Rip' Collins, professor i maskinteknik og fysik og direktør for Rochesters fysikprogram med høj energi-densitet, studeret ledningsevnen af ​​metallisk brint for yderligere at opklare mysterierne bag dynamoeffekten - mekanismen, der genererer magnetiske felter på planeter inklusive Jorden. De offentliggjorde deres resultater i Astrofysisk tidsskrift .

At skabe metallisk brint på Lle

Hvert element virker forskelligt under intenst tryk og temperatur. Opvarmning af vand, for eksempel, genererer en gas i form af vanddamp; fryser det skaber fast is. Hydrogen er normalt en gas, men ved høje temperaturer og tryk - de forhold, der eksisterer inden for planeter som Jupiter - overtager brint egenskaberne af et flydende metal og opfører sig som en elektrisk leder.

Selvom forskere i årtier har teoretiseret om eksistensen af ​​metallisk brint, det var næsten umuligt at skabe på Jorden. "Betingelserne for at skabe metallisk brint er så ekstreme, at, selvom metallisk brint er rigeligt i vores solsystem, det er kun blevet skabt nogle få steder på jorden, " siger Zaghoo. "LLE er et af de steder."

På LLE, forskere bruger den kraftige OMEGA-laser til at affyre impulser mod en brintkapsel. Laseren rammer prøven, udvikle et højtryk, højtemperaturforhold, der tillader de tæt bundne brintatomer at bryde. Når dette sker, hydrogen omdannes fra sin gasformige tilstand til en skinnende flydende tilstand, meget gerne elementet kviksølv.

Forstå Dynamo-effekten

Ved at studere ledningsevnen af ​​metallisk brint, Zaghoo og Collins er i stand til at bygge en mere nøjagtig model af dynamo-effekten - en proces, hvor den kinetiske energi af ledende væsker i bevægelse omdannes til magnetisk energi. Gasgiganter som Jupiter har en meget kraftig dynamo, men mekanismen er også til stede dybt inde i Jorden, i den ydre kerne. Denne dynamo skaber vores eget magnetfelt, gør vores planet beboelig ved at skærme os mod skadelige solpartikler. Forskere kan kortlægge jordens magnetfelt, men, fordi jorden har en magnetisk skorpe, satellitter kan ikke se langt nok ind på vores planet til at observere dynamoen i aktion. Jupiter, på den anden side, har ikke en skorpebarriere. Dette gør det relativt nemmere for satellitter - som NASAs Juno-rumsonde, i øjeblikket i kredsløb om Jupiter - for at observere planetens dybe strukturer, siger Collins. ”Det er meget ydmygende at kunne karakterisere en af ​​de mest interessante materielle tilstande, flydende metallisk brint, her i laboratoriet, bruge denne viden til at fortolke satellitdata fra en rumsonde, og derefter anvende alt dette på ekstrasolare planeter."

Zaghoo og Collins fokuserede deres forskning på forholdet mellem metallisk brint og begyndelsen af ​​dynamo-handlingen, herunder dybden, hvor Jupiters dynamo dannes. De fandt ud af, at dynamoen af ​​gasgiganter som Jupiter sandsynligvis kommer tættere på overfladen - hvor det metalliske brint er mest ledende - end Jordens dynamo. Disse data, kombineret med åbenbaringer fra Juno, kan inkorporeres i simulerede modeller, der giver mulighed for et mere komplet billede af dynamoeffekten.

"En del af mandatet for Juno-missionen var at forsøge at forstå Jupiters magnetfelt, " siger Zaghoo. "En vigtig komplementær brik til Juno-dataene er, hvor ledende brint er i forskellige dybder inde i planeten. Vi er nødt til at indbygge dette i vores modeller for at kunne lave bedre forudsigelser om den nuværende planetsammensætning og evolution."

Bedre forståelse af planeterne i vores eget solsystem giver også mere indsigt i magnetisk afskærmning af eksoplaneter uden for vores solsystem - og kan være med til at bestemme muligheden for liv på andre planeter. Forskere har længe troet, at planeter med magnetiske felter er bedre i stand til at opretholde gasformige atmosfærer og derfor er mere tilbøjelige til at rumme liv, siger Zaghoo. "Dynamoteori og magnetfelter er nøglebetingelser for beboelighed. Der er hundredvis af exoplaneter opdaget uden for vores solsystem hvert år, og vi tror, ​​at mange af disse planeter er ligesom Jupiter og Saturn. Vi kan ikke tage til disse planeter endnu, men vi kan anvende vores viden om supergiganterne i vores eget solsystem til at lave modeller af, hvordan disse planeter kan se ud. "