Странная металлическая смесь спрятана глубоко внутри планет Юпитера и Сатурна. Британско-американская исследовательская группа обнаружила, что в экстремальных условиях в ядре двух газовых гигантов благородный газ гелий неожиданно переходит в металлическое состояние. Вместе с такой же проводящей, сильно сжатой формой водорода он образует текучую металлическую жидкость, похожую на ртуть, как сообщается в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
В ядре нашей планеты давление 3,5 миллиона атмосфер и высокие температуры. Но по сравнению с тем, что происходит внутри газовых гигантов Юпитера и Сатурна, это все еще безвредно. Давление в их ядрах превышает земное более чем в 70 миллионов раз, температура поднимается до 10 000-20 000 градусов - в два-три раза горячее, чем на поверхности Солнца. Но что происходит с элементами, присутствующими в ядре, в этих экстремальных условиях?
Предыдущие исследования в основном рассматривали этот вопрос с использованием водорода, наиболее распространенного элемента во Вселенной и на этих планетах. Но ученые из Калифорнийского университета в Беркли и Университетского колледжа Лондона впервые проанализировали, что происходит с гелием, вторым по распространенности элементом, в таких условиях. В отличие от водорода, который обычно существует в виде двухатомной молекулы, атомы инертного благородного газа гелия, как правило, одиночные, что также делает протекание реакции менее сложным.
Из газа в металлическую жидкость
Основываясь на формулах и теориях квантовой механики, исследователи рассчитали поведение гелия при различных условиях давления и температуры. Сравнение с экспериментальными данными показало хорошее совпадение для условий более низкого давления, поэтому ученые предполагают, что их значения, по крайней мере, позволяют приблизиться к реальным условиям даже в более экстремальном диапазоне.
И тут же, в экстремальном диапазоне давлений и температур, данные выявили нечто удивительное. Хотя гелий в земных условиях представляет собой бесцветный неэлектропроводный газ, он превращается в жидкий металл в условиях, подобных тем, которые преобладают в ядрах Юпитера и Сатурна. «Вы можете думать об этом как о ртути, просто она менее отражающая», - объясняет Рэймонд Жанло, профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли.
Поток электронов стимулируется, а не нарушается
Это было особенно удивительно, поскольку ранее предполагалось, что высокие давления и температуры, как правило, затрудняют металлизацию элементов, а не способствуют ей. Ключевым свойством металла является электропроводность, вызванная облегченным потоком электронов через решетку атомов.
«Высокие температуры заставляют атомы колебаться», - говорит Жанло. «Поэтому люди думали, что большее количество тепла будет препятствовать движению электронов, подобно тому, как валуны нарушают течение реки.» Но, по-видимому, сильное движение атомов на самом деле вместо этого создает новые свободные пространства для электронов, позволяя им течь лучше. Жанло и его коллеги ранее обнаружили в экспериментах, что гелий начинает проявлять некоторые свойства металла под высоким давлением. Их текущие теоретические расчеты показывают, что это развитие продолжается и даже усиливается в экстремальных условиях, таких как ядра газовых гигантов.
Водород и гелий образуют жидкий металлический сплав
И исследование обнаружило еще один сюрприз: до сих пор считалось само собой разумеющимся, что водород и гелий не смешиваются в ядрах планет из-за их различных свойств. Но новые результаты, кажется, опровергают это. После этого оба образуют металлический сплав, похожий на латунь, но жидкий.
Это прорыв в нашем понимании материалов, и это очень важно, потому что для понимания долгосрочной эволюции планет нам нужно больше узнать о свойствах внутри них», - объясняет Жанло. «Результаты также дают представление о том, почему материалы такие, какие они есть, и что определяет их стабильность, физические и химические свойства».