金屬氫是地球上最稀有的材料之一,但卻在太陽系中大量存在。超過80%的行星,包括木星、土星、甚至於數百顆太陽系外行星,都是由這種奇特的物質構成的。 

因此,美國羅切斯特大學激光能量學實驗室的科學家們對金屬氫產生了濃厚的興趣。他們研究行星的生成和演化過程,包括我們太陽系內及系外行星如何形成磁屏蔽。 

實驗室助理研究員Mohamed Zaghoo表示,木星上存在著大量的金屬氫,同時也擁有太陽系中最為強大的磁屏蔽,這是木星最大的奧秘之一。 

Zaghoo和機械工程學及物理學教授、高能量密度物理項目負責人Gilbert Collins共同對木星內核周圍的金屬氫的特性、包括電導率進行了探索,進一步揭示了電磁效應的奧秘,這是一種在行星上形成磁屏蔽的機制。該研究結果發表在《天體物理期刊》(Astrophysical Journal)上。

在極端條件下生成金屬氫

在極端壓力和溫度下,每種元素的狀態都不一樣。比如,水加熱後會產生水蒸氣,冰凍後會形成固態冰。氫通常是一種氣體,但在高溫高壓下卻以液態金屬的形式存在,其性質就像電導體。在類似木星的行星內,就存在這種高溫高壓條件。 

科學家們已經對金屬氫進行了數十年的理論研究,但因其生成條件的極端性,在地球上僅有幾個地方能將其製造出來,LLE就是其中一處。

在LLE,研究團隊使用強大的OMEGA激光器向氫氣囊上發射脈衝。激光撞擊樣本,形成高壓高溫條件,使緊密結合的氫原子斷裂,氫氣從氣態轉變為閃亮的液態,就像汞元素一樣。

電磁效應

通過研究金屬氫的電導率,Zaghoo和Collins建立了更準確的電磁效應模型。像木星這樣的氣體巨星具有非常強大的電磁效應,該機制也同樣存在於地球深處的外核中。這種電磁效應創造了地球磁場,保護人類免受有害太陽粒子的影響,使地球適合我們居住。 

科學家能繪製出地球的磁場圖,但由於地球有磁性地殼,衛星看不到地球深處的電磁活動。而木星沒有地殼屏障,這使得衛星較容易觀察到其深部結構,如當前環繞木星運行的美國太空總署(NASA)的Juno太空探測器。 

Collins表示:「能夠描述液體金屬氫這種最有趣的物質狀態之一,並在實驗室中利用這些知識來解釋太空探測器獲得的衛星資料,然後將其全部應用於太陽系外行星,這很令人振奮。」 

有磁屏蔽的行星 適合生命生存

Zaghoo和Collins將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,與地球的電磁效應相比,像木星這樣的氣體巨星的電磁效應可能更接近地表,因為那裏的金屬氫最具傳導性。將這些與Juno的資料相結合併應用到模型中,就能更全面地了解星體的電磁效應。 

這也有助於科學家們深入探索系外行星的磁屏蔽,並判斷其它行星上生命存在的可能性。Zaghoo表示,科學界認為,電磁理論和磁屏蔽是星球可居住性的關鍵條件,有磁屏蔽的行星能夠更好地維持大氣層,因而也更適合生命生存。我們每年都能發現數百顆係外行星,其中很多類似木星和土星。雖說無法前往,但用我們所了解到的太陽系巨星的知識來建立模型,就能大致推測那些是外行星的狀態。◇