氣態行星的金屬氫怎麼形成的？科學家成功把液態氫壓縮成閃亮金屬

旋渦狀的高密度金屬氫在木星，土星和許多太陽系外行星的內部佔主導地位。建立這些巨行星的精確模型需要準確描述氫加壓後向這種金屬物質轉化的過程 - 這是一項長期的科學挑戰。

由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家領導的一個研究小組今天在《科學》雜誌上發表了一篇論文，介紹了流體氫從絕緣體到金屬轉變的光學測量成果，該實驗解決了先前實驗中存在的差異問題，建立了用於構建行星模型的計算新基準。由多機構組成的團隊中，包括法國替代能源和原子能委員會（CEA），愛丁堡大學，羅切斯特大學，華盛頓卡內基研究所，加州大學伯克利分校和喬治華盛頓大學的研究人員。

幾十年的研究表明，高溫加上高壓會逐漸將高密度的液態氫轉化為導電流體。令人驚訝的是，計算機模擬表明，低於2,000開爾文（K）增加壓力可以引發絕緣體到金屬的突然轉變。需要多少壓力目前還無法確定，因為各種理論模型和數值技術實驗提供了大不相同的預測。

LLNL的物理學家彼得·西利爾斯說：「我們面臨的挑戰是設計一個實驗，可以將流體氫氣樣品動態地壓縮到幾百萬個大氣壓，並且輕柔地操作（無強烈衝擊）可以讓它保持冷卻，或者低於2,000開爾文，來檢驗哪個理論模型是對的「。因此他們進行了一系列實驗，鑒別在什麼樣的壓力-空間條件會發生金屬化轉化，通過實驗數據來發現金屬化轉變的清晰特徵。而他們進行的實驗結果非常成功，清楚地表明哪些模型是正確的，哪些模型是錯誤的，哪些模型是接近的。選擇正確的模型對於試圖預測木星和土星內部結構的行星科學家來說非常重要"。

此外了解氫氣在壓力下的行為也是美國國家核安全管理局（NNSA）在慣性約束聚變方面的重要關注點。在極端溫度，壓力和密度方面的研究也有助於國家核安全局的庫存管理計劃，該計劃有助於確保當前和未來的核儲存安全可靠。

國家點火裝置（NIF）進行了一系列五個實驗，這是世界上最大和最具能量的激光器。首先研究人員將一層薄薄的低溫液體氘（一種氫的重同位素）通過冷到21 K（-422華氏度）進行壓縮。他們使用168個NIF激光束產生了一連串的衝擊波，將氘液壓縮到600 GPa（600萬個大氣壓，幾乎是地球中心壓力的兩倍），同時保持溫度在1,000 K和2,000 K之間。

樣品開始完全透明，但隨著壓力升高，它們變成不透明狀態，然後轉變成閃亮的金屬，其高光學反射率是高導電性的標誌。光學診斷儀器VISAR，記錄了樣品的反射率和反射光束的多普勒頻移，以確定樣品中的壓力。

VISAR儀器是一種超快速光學診斷儀，它使用脈衝激光和干涉測量法來測量衝擊波的速度，並描述了絕緣體到金屬過渡期間流體氫的光學特性。這就像擠壓空氣並將其變成閃亮，輕盈的液態汞一樣。

儘管在地球表面會發現奇特的物質，但金屬氫是大多數巨行星和恆星內部的主要物質，根據Celliers的說法，最終結果是確定金屬化發生的壓力和溫度，以與理論模型進行比較。這些結果是真正的實驗性測試，並且特別重要，因為它們對不同種類的數值模擬進行了非常嚴格的測試，可用於預測高壓下行星成分的特性 - 這是模擬木星和土星內部結構和進化過程必不可少的一步。現在NIF的出色性能表現和可重複性以及實驗帶來精確的數據質量，為研究人員帶來了新的見解和驗證預測。」

該研究是作為NIF的發現科學項目的一部分進行的，發現科學項目將實驗時間分配給在不同領域進行突破性實驗的研究人員。而這次的實驗合作已獲得額外的時間許可，並正在籌劃新實驗。展望未來，他們希望通過在保持較低溫度的同時，推進更高的壓力來檢測氫氣的新的奇異階段。

由於氫原子只由一個電子和一個質子構成，通過施加高壓使得原子之間的距離越來越近，對於凝聚態理論學家來說，這是一個很好理解氫的特性是如何被改變的實驗場，高壓和高溫下的氫氣是氣體巨行星和恆星的主要成分，因此如果我們想要了解它們的來源，太陽系是如何形成和演化的，那麼研究它的性質顯然很重要。例如因為金屬氫的流體對流產生了行星的磁場，科學家的數據將有助於解釋朱諾和卡西尼號任務所收集到的驚人數據。我們自然也期待更多驚人的宇宙發現。

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