金属氢是地球上最稀有的物质之一，但超过80%的行星——包括木星、土星和数百颗太阳系外行星——都是由这种奇异的物质组成。尽管金属氢在地球上很罕见，但它在我们的太阳系中含量丰富，这使得罗切斯特大学激光能量学实验室(LLE)的研究人员非常关注金属氢，他们研究行星的形成和演化，包括太阳系内外的行星如何形成磁场屏障。该组织的研究员Mohamed Zaghoo说：金属氢是我们的行星系统中最丰富的物质形式，遗憾的是我们在地球上没有天然的金属氢，但在木星上，却有金属氢的海洋。我们想知道这些海洋是如何产生木星巨大磁场的。
博科园-科学科普：Zaghoo和Gilbert“Rip”Collins是机械工程和物理学教授，同时也是罗切斯特大学高能量密度物理项目的负责人，他们研究了金属氢的导电性，进一步揭开了发电机效应的奥秘——在包括地球在内的行星上产生磁场的机制。并在《天体物理学》上发表了他们的发现。在强烈的压力和温度下，每种元素的作用都不一样。例如加热水会产生水蒸气形式的气体，冷冻会产生固态冰。氢通常是一种气体，但在高温和高压下（比如木星）氢具有液态金属的性质，表现得像导体。尽管科学家们几十年来一直在理论化金属氢的存在，但在地球上几乎不可能产生金属氢。“产生金属氢的条件是如此极端，虽然我们的太阳系中有大量的金属氢，但它只在地球上的几个地方被创造出来，这是其中一个地方。
金属氢是地球上最稀有的物质之一，但它却占木星等行星的80%以上。罗切斯特大学激光能量学实验室的研究人员在实验室中创造了金属氢来研究木星的磁场。这项研究对行星的形成和演化有影响，包括太阳系内外的行星如何形成磁场屏障。图片：NASA / JPL
在LLE，研究人员使用强大的欧米茄激光在氢胶囊上发射脉冲。激光撞击样品，形成高压的高温状态，使紧密结合的氢原子断裂。当这种情况发生时，氢从气态变成了闪亮的液态，就像元素汞一样。通过研究金属氢的电导率，Zaghoo和Collins能够建立一个更精确的发电机效应模型——在这个过程中，传导流体的动能转化为磁场能量。像木星这样的气态巨星有一个非常强大的发电机，但是这种机制也存在于地球深处，也就是地核。这台发电机创造了我们自己的磁场，使我们的星球适合居住，保护我们免受有害太阳粒子的侵害。研究人员可以绘制出地球磁场的分布图，但由于地球有一个地磁外壳，卫星无法看到地球内部足够远的地方，以观察正在运行的发电机。
另一方面，木星没有地壳屏障，这使得卫星——比如目前在木星轨道上运行的美国宇航局的朱诺太空探测器——更容易观察到木星的深层结构。在实验室里，能够描述出物质最有趣的状态之一：液态金属氢的特征，利用这些知识来解释太空探测器上的卫星数据，然后把这些都应用到太阳系外的行星上。Zaghoo和Collins的研究重点是金属氢与发电机作用的关系，包括木星发电机形成的深度。发现像木星这样的气态巨星的发电机很可能比地球的发电机更靠近地表——金属氢的导电性最强。这些数据与朱诺的启示结合在一起，可以被纳入到模拟模型中，以便更完整地描述发电机的影响。
木星最大的谜团之一是它如何产生强大的磁场，这是太阳系中最强的磁场。木星磁场的关键可能在于了解环绕着木星核心的金属氢的性质(包括导电性)。图片：University of Rochester illustration / Rodi Keisidis, Laboratory for Laser Energetics
朱诺号任务的一部分任务是试图了解木星的磁场，朱诺数据的一个关键补充就是氢在地球内部不同深度处的导电能力。需要在我们的模型中建立这个模型，以便更好地预测当前行星的组成和演化。更好地了解我们太阳系中的行星，还能让我们更深入地了解太阳系外的系外行星的磁场屏蔽，并可能有助于确定在其他行星上存在生命的可能性。长期以来，研究人员一直认为拥有磁场的行星能够更好地维持气体大气，因此更有可能孕育生命，发电机理论和磁场是可居住性的关键条件。每年有数百颗太阳系外的系外行星被发现，我们认为这些行星中有许多像木星和土星。还不能去这些行星，但是可以运用我们的知识来了解我们太阳系中的超级巨星，来制造这些行星的模型。
博科园-科学科普｜参考期刊：天体物理学｜研究/来自：罗彻斯特大学
博科园-传递宇宙科学之美
