物理学家展示氢气在煤气巨型行星内是如何金属

时间：2021-11-28 17:58:03来源：

解开国家点火设施的流体金属氢的性质可以帮助科学家解锁木星形成和内部结构的奥秘。

旋转致密金属氢气主导木星，土星和许多超太阳行李的内部。构建这些巨大行星的精确模型需要准确描述加压氢转换为这种金属物质 - 一种长期的科学挑战。

在今天由科学发表的论文中，由劳伦斯·莱弗雷国家实验室（LLNL）的科学家领导的研究团队描述了流体氢气中绝缘体 - 金属过渡的光学测量，解决了先前实验中的差异，并建立了用于计算的新基准构建行星模型。多机构团队包括来自法国替代能源和原子能委员会（CEA）的研究人员，爱丁堡大学，罗切斯特大学华盛顿州华盛顿大学，加州大学，伯克利和乔治华盛顿大学。

几十年的研究表明，高温结合高压逐渐将致密流体氢转化为导电流体。令人惊讶的是，计算机模拟表明，低于2,000个keelvin（k），增加压力可能会引发突然的绝缘体 - 金属过渡。需要多少压力是不确定的，因为各种理论模型和数值技术实验提供了非常不同的预测。

“我们的挑战是设计一个可以动态地将流体氢样品动态压缩到数百万气氛的实验，并且可以轻轻地（没有强烈的冲击），它保持冷却，或低于2,000 k，看看哪个理论模型是对，“彼得玻璃杯，Llnl的物理学家和纸上的主要作者说。“我们进行了一系列实验，该实验提供了金属化转换的明确签名，并且从我们已经在转换发生的压力温度空间的条件下识别的数据。结果清楚地显示了哪种模型是对的，这不是一个近距离的夫妇。选择合适的模式对于试图预测木星和土星内部结构的行星科学家非常重要。“

此外，了解压力下氢的行为是国家核安全管理局（NNSA）在惯性监禁融合中的努力的重要方面。在极端温度，压力和密度的领域的研究也有助于NNSA的库存管道计划，有助于确保当前和未来的核库存安全可靠。

在全国火花设施（NIF），世界上最大，最精力充沛的激光激光进行了一系列五项实验。首先，研究人员通过冷却至21k（-422华氏度）冷凝了一层薄的低温液体氘（氢气等重量）。它们创建了一系列混响的冲击波，使用168个激光束，将氘流体压缩到600 GPa（六百万条大气压，接近地球的压力几乎是压力），同时保持温度在1,000 k和2,000k之间。

样品开始完全透明，但随着压力升起，在转化成闪亮的金属之前，它变得不透明，其高光学反射性是高导电性的签名。光学诊断仪器，visaR，记录样品的反射率和反射光束中的多普勒偏移，以确定样品中的压力。

visar仪器是超快光学诊断，其使用脉冲激光和干涉测量测量冲击波的速度，并在绝缘体期间表征流体氢的光学性质到金属转变。基因油炸镜，Visar负责系统工程师在此显示。

“这就像挤压空气，把它变成闪亮，光明的液体汞。虽然地球表面的异国情调，金属氢是大多数巨星和星星内的主要材料，“加州大学的天文学和地球和行星科学教授Raymond Jeanloz说道，伯克利大学和公布的共同作者。

根据纤维蛋白，最终结果是确定金属化发生的压力和温度，以与理论模型进行比较。“从仔细检查信号中，我们还学习了关于样本中折射率和吸收系数的新信息，”他说。

“这些结果是真正的实验导游，尤其重要，因为它们对不同品种的数码模拟提供了非常严格的测试，即可以用于预测在高压下的行星成分的性能 - 为模拟内部结构和模拟内部结构的必要条件木星和土星的进化过程，“Marius Millot，Llnl和纸张的共同作者物理学家说。“现在，由于NIF和极端数据质量的优异性能和再现性，我们的结果带来了新的洞察力和验证预测。”

该研究是作为NIF发现科学计划的一部分进行的，该计划为研究人员分配了在各种领域进行突破性实验的实验时间。该协作已获得额外的时间，并在规划新实验过程中。展望未来，他们希望通过推动更高的压力来检测氢的新的异国情调阶段，同时保持较低的温度。

“因为它只是一个电子和一个质子制成，了解氢气的性质是如何通过施加高压来改变氢的性质，这使得原子彼此更靠近，更靠近彼此，是用于凝聚物理学的伟大游乐道，”Millot说。“高压和温度下的氢是气体巨星和星星的主要组成部分，如果我们想了解我们来自的地方，如何形成和演化，这显然是研究其性质。因为金属氢气的流体对流产生这些行星的磁场，所以我们的数据将有助于解释朱诺和卡西尼任务所收集的惊人数据。“

Celliers和Millot由共同作者加入Tayne Fratanduono，Jon Eggert，J.Luc Peterson，Nathan Meezan和Sebastien Le Pape的Llnl;斯蒂芬妮布莱戈和CEA的Paul Loubeyre;爱丁堡大学的Stewart McWilliams;卡内基华盛顿卡内基机构的亚历山大Goncharov;罗切斯特大学的Ryan Rygg和Gilbert W.柯林斯;伯克利加州大学的Raymond Jeanloz;和乔治华盛顿大学的罗素HEMLEY。

该研究部分受到实验室指导的研发计划和NIF团队的支持。

出版物：Peter M. Celliers等，等，“绝缘体 - 金属过渡致密液体氘，”Science 2018年8月17日：卷。 361，第6403页，第6703款Doi：10.1126 / science.Aat0970