金属氢是地球上最稀有的材料之一，但它占木星等行星的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研究了金属氢，用以研究木星的磁场。该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屏蔽具有重要作用。图片来源：NASA / JPL

    金属氢（金属氢是液态或固态氢在上百万大气压的高压下变成的导电体。导电性类似于金属，故称金属氢。 金属氢是一种高密度、高储能材料，之前的预测中表明，金属氢是一种室温超导体。金属氢内储藏着巨大的能量，比普通TNT炸药大30─40倍。）是地球上最稀有的材料之一，但超过80％的行星（包括木星，土星和数百个太阳系外行星）都是由这种异乎寻常的物质组成的。

    它在太阳系中的丰富（尽管它在地球上很罕见）使得金属氢成为罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）研究人员研究行星形成和演化的一个有趣焦点，即包括我们太阳系内外的行星如何形成磁屏蔽。

    LLE的研究助理Mohamed Zaghoo说：“金属氢是我们行星系统中最丰富的物质形式，遗憾的是在地球上我们没有自然地拥有这些物质，但在木星上，有丰富金属氢（形成金属氢海洋）。我们想知道这些海洋如何产生木星巨大的磁场。”Zaghoo和Gilbert'Rip'Collins（机械工程和物理学教授，罗切斯特高能量密度物理项目主任。）研究了金属氢的电导率，以进一步揭开电磁效应的神秘面纱，即在包括地球在内的行星上产生磁场的机制。他们在《 Astrophysical Journal》杂志上发表了他们的成果。

    在LLE创造金属氢

    在极端的压力和温度下，每种元素的状态都不一样，例如，加热水产生水蒸气形式的气体，冷冻它会产生坚硬的冰。氢气通常是一种气体，但在高温和高压下（木星和氢气等行星内存在的条件）具有液态金属的特性，其物质性质类似于电导体。

    尽管几十年来科学家们对金属氢的存在进行了理论研究，但几乎不可能在地球上创造。Zaghoo说：“创造金属氢的条件非常极端，尽管我们的太阳系中金属氢含量很高，但它只在地球上某些地方创造了一些，LLE就是其中之一。”

木星的一个重大谜团是该星体如何产生强大的磁场，这是我们太阳系中最强大的磁场。木星磁场的关键可能在于了解木星核心周围的金属氢的性（包括电导率）。图片来源：罗彻斯特大学激光能量学实验室

    在LLE，研究人员使用强大的OMEGA激光器在氢气囊上发射脉冲。激光撞击样品形成高压和高温条件，使紧密结合的氢原子断裂。当这种情况发生时，氢气从气态转变为闪亮的液态，就像元素汞一样。

    了解电磁效应

    通过研究金属氢的电导率，Zaghoo和Collins能够建立更准确的电磁效应模型，即一种将磁流体转化为磁能的过程。像木星这样的气体巨星具有非常强大的电磁效应，但其机制也同样存在于地球深处，在外核中。这种电磁效应创造了我们自己的磁场，保护我们免受有害太阳粒子的影响，使我们的星球适合居住，研究人员可以绘制地球的磁场图，但是，由于地球上有磁性地壳，卫星看不到我们的星球深处（为了观察电磁的运行情况）。另一方面，木星没有地壳屏障。这使得像NASA的Juno太空探测器（目前在木星轨道上）的卫星相对容易观察到行星的深部结构。柯林斯说：“这可以能够描述一种最有趣的物质状态，即液体金属氢，在实验室中，利用这些知识来解释太空探测器的卫星数据，然后将其全部应用于太阳系外行星，这是非常合适的。”

    Zaghoo和Collins将他们的研究重点放在金属氢与电磁效应开始之间的关系上，包括木星电磁效应形成的深度。他们发现像木星这样的气体巨行星的电磁效应可能更接近地表（因为金属氢最具传导性）比地球上电磁效应更强。这些数据与Juno的想法相结合，可以应用到模拟模型中，从而可以更全面地了解星体电磁效应。

    Zaghoo说：“Juno的部分任务是试图了解木星的磁场，Juno数据的一个关键补充部分就是导电氢在行星内的不同深度。我们需要将其构建到我们的模型中，以便更好地预测当前行星的构成和演化。”

    更好地了解我们太阳系中的行星，也可以更深入地了解太阳系外太阳系外磁屏蔽作用，并可能有助于确定其他行星上的生命可能性。长期以来的研究一直认为，具有磁场的行星能够更好地维持气态环境，因此更有可能拥有生命。 Zaghoo说：“星体电磁理论和磁场是可居住性的关键条件。我们每年在太阳系外发现有数百颗系外行星，我们认为这些行星中有许多像木星和土星。我们不能去达到这些行星，但我们可以运用我们对自己太阳系中超级巨星的知识来制作的模型用以推测这些行星可能是什么样的。”

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责任编辑：殷鹏飞

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