Metallväte är ett av de sällsynta materialen på jorden men det utgör mer än 80 procent av planeter som Jupiter. Forskare vid University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics skapade metalliskt väte i laboratoriet för att studera Jupiters magnetfält. Forskningen har konsekvenser för planetbildning och utveckling, inklusive hur planeter både inuti och utanför vårt solsystem bildar magnetiska sköldar. Upphovsman:NASA / JPL
Metallväte är ett av de sällsynta materialen på jorden, ännu mer än 80 procent av planeterna - inklusive Jupiter, Saturnus, och hundratals extrasolära planeter - består av denna exotiska form av materia.
Dess överflöd i vårt solsystem - trots dess sällsynthet på jorden - gör metalliskt väte till ett spännande fokus för forskare vid University of Rochesters Laboratory of Laser Energetics (LLE) som studerar planets bildande och utveckling, inklusive hur planeter både inuti och utanför vårt solsystem bildar magnetiska sköldar.
"Metallväte är den vanligaste formen av materia i vårt planetsystem, "säger Mohamed Zaghoo, en forskningsassistent vid LLE. "Det är synd att vi inte har det naturligt här på jorden, men på Jupiter, det finns hav av metalliskt väte. Vi vill ta reda på hur dessa hav ger upphov till Jupiters enorma magnetfält. "Zaghoo och Gilbert" Rip "Collins, professor i maskinteknik och fysik och chef för Rochesters fysikprogram med hög energi-densitet, studerat konduktiviteten hos metalliskt väte för att ytterligare upptäcka dynamoeffektens mysterier - mekanismen som genererar magnetfält på planeter inklusive jorden. De publicerade sina fynd i Astrofysisk tidskrift .
Skapa metalliskt väte i Lle
Varje element verkar annorlunda under intensivt tryck och temperatur. Uppvärmning av vatten, till exempel, genererar en gas i form av vattenånga; fryser det skapar fast is. Väte är normalt en gas, men vid höga temperaturer och tryck - de förhållanden som finns inom planeter som Jupiter - tar väte egenskaperna hos en flytande metall och beter sig som en elektrisk ledare.
Även om forskare teoretiserade i decennier om förekomsten av metalliskt väte, det var nästan omöjligt att skapa på jorden. "Förutsättningarna för att skapa metalliskt väte är så extrema att, även om metalliskt väte är rikligt i vårt solsystem, det har bara skapats några få platser på jorden, "Säger Zaghoo." LLE är en av dessa platser. "
Ett av Jupiters stora mysterier är hur planeten genererar sitt kraftfulla magnetfält, den starkaste i vårt solsystem. En nyckel till Jupiters magnetfält kan ligga i att förstå egenskaperna-inklusive konduktiviteten-för metalliskt väte, som omger Jupiters kärna. Upphovsman:University of Rochester illustration / Rodi Keisidis, Laboratorium för laserenergi
På LLE, forskare använder den kraftfulla OMEGA -lasern för att avfyra pulser mot en vätskapsel. Lasern träffar provet, utveckla ett högtryck, högtemperaturförhållande som gör att de tätt bundna väteatomerna kan brytas. När detta händer, väte omvandlas från sitt gasformiga tillstånd till ett glänsande flytande tillstånd, ungefär som elementet kvicksilver.
Förstå dynamoeffekten
Genom att studera konduktiviteten hos metalliskt väte, Zaghoo och Collins kan bygga en mer exakt modell av dynamoeffekten - en process där kinetisk energi för ledande vätskor omvandlas till magnetisk energi. Gasjättar som Jupiter har en mycket kraftfull dynamo, men mekanismen finns också djupt inom jorden, i ytterkärnan. Denna dynamo skapar vårt eget magnetfält, gör vår planet beboelig genom att skydda oss från skadliga solpartiklar. Forskare kan kartlägga jordens magnetfält, men, eftersom jorden har en magnetisk skorpa, satelliter kan inte se tillräckligt långt in på vår planet för att observera dynamon i aktion. Jupiter, å andra sidan, har ingen skorpa. Detta gör det relativt lättare för satelliter - som NASA:s Juno rymdsond, för närvarande i en bana runt Jupiter - för att observera planetens djupa strukturer, Säger Collins. "Det är mycket ödmjukt att kunna karaktärisera ett av de mest intressanta tillståndstillstånden, flytande metalliskt väte, här i laboratoriet, använda denna kunskap för att tolka satellitdata från en rymdsond, och applicera sedan allt på extrasolära planeter. "
Zaghoo och Collins fokuserade sin forskning på förhållandet mellan metalliskt väte och dynamoverkans början, inklusive djupet där Jupiters dynamo bildas. De fann att dynamo hos gasjättar som Jupiter sannolikt kommer från närmare ytan - där metallvätet är mest ledande - än jordens dynamo. Denna data, kombinerat med avslöjanden från Juno, kan införlivas i simulerade modeller som möjliggör en mer fullständig bild av dynamoeffekten.
"En del av mandatet för Juno -uppdraget var att försöka förstå Jupiters magnetfält, "Säger Zaghoo." En viktig komplement till Juno -data är hur konduktivt väte är på olika djup inne i planeten. Vi måste bygga in detta i våra modeller för att kunna göra bättre förutsägelser om nuvarande planets sammansättning och utveckling. "
Bättre förståelse av planeterna i vårt eget solsystem ger också mer inblick i magnetisk avskärmning av exoplaneter utanför vårt solsystem - och kan hjälpa till att avgöra möjligheten till liv på andra planeter. Forskning har länge trott att planeter med magnetfält är bättre kapabla att upprätthålla gasformiga atmosfärer och därför är mer benägna att hysa liv, Säger Zaghoo. "Dynamotori och magnetfält är viktiga villkor för beboelse. Det finns hundratals exoplaneter som upptäcks utanför vårt solsystem varje år och vi tror att många av dessa planeter är som Jupiter och Saturnus. Vi kan inte gå till dessa planeter än, men vi kan tillämpa vår kunskap om superjättarna i vårt eget solsystem för att göra modeller av hur dessa planeter kan se ut. "
