Metaalwaterstof is een van de zeldzaamste materialen op aarde, toch meer dan 80 procent van de planeten, waaronder Jupiter, Saturnus, en honderden extrasolaire planeten - zijn samengesteld uit deze exotische vorm van materie.

Zijn overvloed in ons zonnestelsel - ondanks zijn zeldzaamheid op aarde - maakt metallische waterstof een intrigerende focus voor onderzoekers van de University of Rochester's Laboratory of Laser Energetics (LLE) die de vorming en evolutie van planeten bestuderen, inclusief hoe planeten zowel binnen als buiten ons zonnestelsel magnetische schilden vormen.

"Metaalwaterstof is de meest voorkomende vorm van materie in ons planetenstelsel, " zegt Mohamed Zaghoo, een onderzoeksmedewerker aan de LLE. "Het is jammer dat we het hier op aarde niet van nature hebben, maar op Jupiter, er zijn oceanen van metallische waterstof. We willen ontdekken hoe deze oceanen het enorme magnetische veld van Jupiter doen ontstaan." Zaghoo en Gilbert 'Rip' Collins, hoogleraar werktuigbouwkunde en natuurkunde en directeur van Rochester's natuurkundeprogramma met hoge energiedichtheid, bestudeerde de geleidbaarheid van metallische waterstof om de mysteries van het dynamo-effect verder te ontrafelen - het mechanisme dat magnetische velden genereert op planeten, waaronder de aarde. Ze publiceerden hun bevindingen in de Astrofysisch tijdschrift .

Metaalwaterstof maken in de Lle

Elk element werkt anders onder intense druk en temperatuur. Water opwarmen, bijvoorbeeld, genereert een gas in de vorm van waterdamp; bevriezen creëert vast ijs. Waterstof is normaal gesproken een gas, maar bij hoge temperaturen en drukken - de omstandigheden die binnen planeten zoals Jupiter bestaan ​​- neemt waterstof de eigenschappen aan van een vloeibaar metaal en gedraagt ​​het zich als een elektrische geleider.

Hoewel wetenschappers decennialang theoretiseerden over het bestaan ​​van metallische waterstof, het was bijna onmogelijk om op aarde te creëren. "De omstandigheden om metallische waterstof te maken zijn zo extreem dat, hoewel metallische waterstof overvloedig aanwezig is in ons zonnestelsel, het is maar op een paar plaatsen op aarde gecreëerd, "zegt Zaghoo. "De LLE is zo'n plek."

Bij de LLE, onderzoekers gebruiken de krachtige OMEGA-laser om pulsen af ​​te vuren op een waterstofcapsule. De laser valt op het monster, het ontwikkelen van een hogedruk, hoge temperatuur waardoor de strak gebonden waterstofatomen kunnen breken. Wanneer dit gebeurt, waterstof wordt omgezet van zijn gasvormige toestand naar een glanzende vloeibare toestand, net als het element kwik.

Het dynamo-effect begrijpen

Door de geleidbaarheid van metallische waterstof te bestuderen, Zaghoo en Collins zijn in staat om een ​​nauwkeuriger model te bouwen van het dynamo-effect - een proces waarbij de kinetische energie van geleidende bewegende vloeistoffen wordt omgezet in magnetische energie. Gasreuzen zoals Jupiter hebben een zeer krachtige dynamo, maar het mechanisme is ook diep in de aarde aanwezig, in de buitenste kern. Deze dynamo creëert ons eigen magnetische veld, onze planeet bewoonbaar maken door ons te beschermen tegen schadelijke zonnedeeltjes. Onderzoekers kunnen het aardmagnetisch veld in kaart brengen, maar, omdat de aarde een magnetische korst heeft, satellieten kunnen niet ver genoeg in onze planeet kijken om de dynamo in actie te zien. Jupiter, anderzijds, heeft geen korstbarrière. Dit maakt het relatief gemakkelijker voor satellieten, zoals NASA's Juno-ruimtesonde, momenteel in een baan rond Jupiter - om de diepe structuren van de planeet te observeren, zegt Collins. "Het is heel nederig om een ​​van de meest interessante toestanden van materie te kunnen karakteriseren, vloeibare metaalwaterstof, hier in het laboratorium, deze kennis gebruiken om satellietgegevens van een ruimtesonde te interpreteren, en pas dit dan allemaal toe op extrasolaire planeten."

Zaghoo en Collins richtten hun onderzoek op de relatie tussen metallische waterstof en het begin van de dynamo-actie, inclusief de diepte waar de dynamo van Jupiter zich vormt. Ze ontdekten dat de dynamo van gasreuzen zoals Jupiter waarschijnlijk dichter bij het oppervlak komt - waar de metallische waterstof het meest geleidend is - dan de dynamo van de aarde. Deze gegevens, gecombineerd met onthullingen van Juno, kunnen worden opgenomen in gesimuleerde modellen die een completer beeld van het dynamo-effect mogelijk maken.

"Een deel van het mandaat voor de Juno-missie was om te proberen het magnetische veld van Jupiter te begrijpen, " Zegt Zaghoo. "Een belangrijk complementair stuk aan de Juno-gegevens is hoe geleidend waterstof is op verschillende diepten in de planeet. We moeten dit in onze modellen inbouwen om betere voorspellingen te kunnen doen over de huidige samenstelling en evolutie van de planeet."

Een beter begrip van de planeten in ons eigen zonnestelsel geeft ook meer inzicht in de magnetische afscherming van exoplaneten buiten ons zonnestelsel - en kan helpen bij het bepalen van de mogelijkheid van leven op andere planeten. Onderzoekers hebben lang gedacht dat planeten met magnetische velden beter in staat zijn om gasvormige atmosferen in stand te houden en daarom meer kans hebben om leven te herbergen, Zegt Zagoo. "Dynamotheorie en magnetische velden zijn belangrijke voorwaarden voor bewoonbaarheid. Er worden elk jaar honderden exoplaneten ontdekt buiten ons zonnestelsel en we denken dat veel van deze planeten op Jupiter en Saturnus lijken. We kunnen nog niet naar deze planeten gaan, maar we kunnen onze kennis over de superreuzen in ons eigen zonnestelsel toepassen om modellen te maken van hoe deze planeten eruit kunnen zien."