Раскрыта загадка металлического водорода в центре Юпитера

Американские и швейцарские ученые построили первую модель процессов, происходящих внутри Юпитера, которая позволила описать все этапы перехода водорода в металлическое состояние. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Водород — самый простой, состоящий из одного протона и одного электрона, и самый распространенный элемент во Вселенной. Это главный компонент планет-гигантов, таких как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

На поверхности этих планет водород остается молекулярным газом, однако в центре — находится в металлическом состоянии и ведет себя как проводник. На это указывают расчеты и результаты наблюдений. Но до сих пор построить физико-химическую модель фазового перехода газообразного водорода в металл не получалось — не хватало вычислительных мощностей.

Ученым из Кембриджского университета, Исследовательского центра компании IBM в Цюрихе и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) это удалось, благодаря объединению средств машинного обучения, квантовой механики и современных методов статистической обработки.

“Существование металлического водорода было теоретически предсказано столетие назад, но мы не знали, как происходит этот процесс, из-за невозможности воссоздать его в лаборатории и огромной сложности прогнозирования поведения больших водородных систем”, — приводятся в пресс-релизе Кембриджского университета слова ведущего автора исследования, доктора Бинцин Чена (Bingqing Cheng) из лаборатории Кавендиша.

В качестве основы для модели были взяты точные расчеты для небольшого участка электронной структуры плотного водорода, а система машинного обучения распространила их на огромный диапазон температур — от 100 до 4000 кельвинов, и давлений — от 25 до 400 гигапаскалей.

В итоге, моделирование, которое выполнялось на компьютерах EPFL, заняло всего несколько недель по сравнению с сотнями миллионов лет процессорного времени, которые потребовались бы в случае запуска традиционных симуляций для решения квантово-механических задач.

Результаты моделирования показали, что фазовое состояние водорода в условиях экстремального давления меняется плавно и постепенно, а не резко, как полагается при переходе первого рода, который сопровождается одномоментным изменением всех физических свойств. Классический пример фазового перехода первого рода — кипение жидкой воды: как только жидкость становится паром, ее внешний вид и поведение полностью меняются, несмотря на то, что температура и давление остаются прежними.

Поскольку этот переход у водорода плавный, трудно определить конкретные критические точки переходов. Ученые называют такие состояния системами со скрытой критической точкой. Водород трансформируется постепенно и непрерывно между молекулярной и атомарной фазами, переходя из газообразного состояния сначала в газово-жидкий флюид, потом — в изоляционную жидкость, а уже затем — в проводящий жидкий металл.

Открытие теоретически обосновывает наблюдаемый плавный переход между изоляционным и проводящими слоями в гигантских газовых планетах, а также объясняет противоречивость результатов многих экспериментов с плотным водородом.