“Жаль, что у нас на Земле его нет в природе, но на Юпитере есть океаны металлического водорода. Мы хотим выяснить, как эти океаны создают огромное магнитное поле Юпитера”, — отметил Мохаммед Загу из Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера (LLE) и его коллега Гилберт » Рип » Коллинз, директор программы физики высокой плотности энергии. Астрофизики уже давно считают, что планеты земной группы с магнитными полями лучше способны поддерживать газовую атмосферу и с большей вероятностью содержат жизнь.
Обитаемость газовых гигантов на самом деле не очень изучалась, отмечает Майкл Вонг из Центра интегративных планетарных наук Калифорнийского университета в Беркли.
“Юнона показывает нам, что связи между внутренним пространством, где можно найти металлический водород, и атмосферой сильнее, чем мы думали», — сказал доктор Вонг. Вонг изучает погоду в атмосфере Юпитера с помощью телескопа Хаббл и других телескопов. Он не участвовал в экспериментах с металлическим водородом.
Самое сильное магнитное поле в Солнечной системе
Одна из самых больших загадок, окружающих Юпитер, заключается в том, как он генерирует свое мощное магнитное поле, самое сильное в Солнечной системе. Одна из теорий состоит в том, что примерно на полпути к ядру Юпитера давление и температура становятся настолько сильными, что водород, составляющий 90 процентов планеты, теряет свои электроны и начинает вести себя как жидкий металл. Океаны жидкого металлического водорода, окружающие ядро Юпитера, могли бы объяснить его мощное магнитное поле.
Динамо-машина и магнитные поля — ключ к обитаемости
“Динамо-теория и магнитные поля являются ключевыми условиями обитаемости”, — сказал Загу, который проводил исследовательские назначения в Физической лаборатории Лаймана в Гарварде, Институте квантовой оптики Макса Планка, Стэнфордском университете и Институте астрофизики и космических исследований Массачусетского технологического института. “Каждый год за пределами нашей Солнечной системы обнаруживаются сотни экзопланет, и мы думаем, что многие из этих планет похожи на Юпитер и Сатурн. Мы пока не можем отправиться на эти планеты, но мы можем применить наши знания о сверхгигантах в нашей собственной Солнечной системе, чтобы создать модели того, какими могут быть эти планеты”.
Вопрос о том, как водород переходит в металлическое состояние — является ли это резким переходом или нет, — имеет огромное значение для планетарной науки. Например, то, как водород переходит внутри Юпитера, многое говорит об эволюции, температуре и структуре внутренних помещений этих газовых гигантов.
Металлический водород
Металлический водород является одним из самых редких материалов на Земле, однако более 80 процентов планет, включая Юпитер, Сатурн и сотни экзопланет, состоят из этой экзотической формы материи. “Металлический водород–самая распространенная форма материи в нашей планетной системе”, – поясняют эксперты.
Его изобилии в нашей Солнечной системе, несмотря на его редкость на Земле, делает металлический водород интригующим объектом для исследователей, которые изучают формирование и эволюцию планет, в том числе то, как планеты как внутри, так и за пределами нашей солнечной системы образуют магнитные щиты.
Каждый элемент действует по-разному при сильном давлении и температуре. Например, при нагревании воды образуется газ в виде водяного пара; при замораживании образуется твердый лед. Водород обычно является газом, но при высоких температурах и давлениях–условиях, которые существуют на планетах, подобных Юпитеру, – водород приобретает свойства жидкого металла и ведет себя как электрический проводник.
Хотя ученые десятилетиями теоретизировали о существовании металлического водорода, его практически невозможно было создать на Земле. “Условия для создания металлического водорода настолько экстремальны, что, хотя металлический водород в изобилии присутствует в нашей Солнечной системе, он был создан только в нескольких местах на земле”, — добавляет Мохаммед Загу.
В LLE исследователи используют мощный ОМЕГА-лазер, чтобы стрелять импульсами в водородную капсулу. Лазер воздействует на образец, создавая условия высокого давления и высокой температуры, которые позволяют тесно связанным атомам водорода разрушаться. Когда это происходит, водород переходит из газообразного состояния в блестящее жидкое состояние, очень похожее на элемент ртуть.
Изучая проводимость металлического водорода, Загу и Коллинз смогли построить более точную модель динамо–эффекта — процесса, в котором кинетическая энергия проводящих движущихся жидкостей преобразуется в магнитную энергию. Газовые гиганты, такие как Юпитер, обладают очень мощным динамо-двигателем, но этот механизм также присутствует глубоко внутри Земли, во внешнем ядре. Эта динамо-машина создает наше собственное магнитное поле, делая нашу планету пригодной для жизни, защищая нас от вредных солнечных частиц.
Исследователи могут составить карту магнитного поля Земли, но, поскольку земля имеет магнитную кору, спутники не могут заглянуть достаточно далеко вглубь нашей планеты, чтобы наблюдать динамо-машину в действии. С другой стороны, у Юпитера нет барьера из земной коры. Это относительно облегчает спутникам, таким как космический зонд НАСА «Юнона», который в настоящее время находится на орбите вокруг Юпитера, наблюдение за глубинными структурами планеты, говорит Коллинз.
Загу и Коллинз сосредоточили свои исследования 2019 года на взаимосвязи между металлическим водородом и началом динамического действия, включая глубину, на которой формируется динамо Юпитера. Они обнаружили, что динамо–машина газовых гигантов, таких как Юпитер, вероятно, зарождается ближе к поверхности–там, где металлический водород наиболее проводящий, — чем динамо-машина Земли. Эти данные в сочетании с откровениями миссии Juno могут быть включены в имитационные модели, которые позволят получить более полную картину эффекта динамо.
“Частью мандата миссии «Юнона» была попытка понять магнитное поле Юпитера», — говорит Загу. “Ключевым дополнением к данным Juno является то, насколько проводящий водород находится на разных глубинах планеты. Нам нужно встроить это в наши модели, чтобы лучше предсказывать текущий состав и эволюцию планеты”.
Лучшее понимание планет в нашей собственной солнечной системе также дает больше информации о магнитной защите экзопланет за пределами нашей Солнечной системы–и может помочь определить возможность жизни на других планетах.
