漩渦狀的緻密金屬氫在木星、土星和許多太陽系外行星的內部佔據著主導地位。要建立這些巨型行星的精確模型，就需要準確描述被加壓的氫是如何向這種金屬物質轉變的——這是一項長期的科學挑戰。
在8月17日發表於《科學》雜誌的論文中，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家們領導的一個研究小組描述了液態氫中絕緣體-金屬轉變的光學測量，從而解決了先前實驗中的差異併為用於構建行星模型的計算建立了新的基準。
數十年的研究表明，高溫與高壓結合可以逐漸將緻密的液態氫轉化為導電流體。令人驚訝的是，計算機模擬表明，當溫度低於2000K時，增加壓力可能會引發絕緣體到金屬的突然轉變。因為各種理論模型和數值技術實驗提供了迥然不同的預測，所以到底需要多少壓力是不確定的。
LLNL的物理學家、論文的主要作者彼得·西利爾斯說：“我們面臨的挑戰是，設計一個實驗，以便動態地將液態氫樣品壓縮到幾百萬個大氣壓，並用足夠緩和的方式（無強烈衝擊）來開展這個實驗以使液態氫樣品保持冷卻；或者使壓力低於2000K，進而確定哪一個理論模型是正確的。我們進行了可以提供金屬化轉變的清晰特徵的一系列實驗，並從數據中識別出了壓力—溫度空間在什麼條件下會發生轉變。結果清楚地表明，哪些模型是正確的，哪些模型是不正確的，哪些模型是接近的。”
科學家在世界上最大、最具能量的激光器——美國國家點火設施（NIF）上進行了一系列的五個實驗。首先，研究人員通過將溫度降至21 K（零下422華氏度）濃縮了一層薄薄的低溫液體氘（氫的重同位素），之後使用NIF的168個激光束產生了一系列反射衝擊波，從而將氘流體壓縮至600 GPa（600萬大氣壓，幾乎是地球中心壓力的兩倍），同時將溫度保持在1000 K至2000 K之間。此時，樣品開始變得完全透明，但隨著壓力的升高，它在轉變成光亮的金屬之前就開始變得不透明，而這種金屬的高光學反射率是其高導電性的標誌。光學診斷儀器VISAR記錄了樣品的反射率和反射光束中的多普勒頻移，以確定樣品中的壓力。
“這就像擠壓空氣，把它變成光亮的、輕盈的液態水銀。”加州大學伯克利分校天文學、地球和行星科學教授雷蒙德·詹洛茲說。
根據西利爾斯的說法，與理論模型相比，最終結果是金屬化發生時的壓力和溫度的一個決定因素。 “通過仔細檢查信號，我們在有關樣品中瞭解到了有關折射率和吸收係數的新信息。”LLNL的物理學家、論文的合著者馬呂斯·米洛說：“這些結果是真實的實驗之作，並且是非常重要的，因為它們對不同的數值模擬提供了一個非常嚴格的測試，而這些模擬可以用來預測高壓下行星成分的性質，這對於模擬木星和土星的內部結構和演化過程是必要的。現在，由於NIF的優異性能和重現性，以及高質量的數據，我們的結果為該領域帶來了新的見解，並驗證了預測。”
編譯：冰融 審稿：alone
來源：http://h5.scimall.net.cn/register?from=wechat
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