用氢金属“磨皮” 土星也玩“美颜”

据科学日报报道，行星一般会因逐渐变老而变得寒冷，但土星却比天体物理学家认为的、在没有额外能量源的前提下更加炙热。这种无法解释的热导致估计土星年龄的计算机模型产生了20亿年的年龄差

据科学日报报道，行星一般会因逐渐变老而变得寒冷，但土星却比天体物理学家认为的、在没有额外能量源的前提下更加炙热。这种无法解释的热导致估计土星年龄的计算机模型产生了20亿年的年龄差。“那些正确估计木星年龄为45亿年的模型认为土星应该只有25亿年老，”桑地亚高能量密度物理学理论小组的经理托马斯・麦特逊（Thomas Mattsson）这样说道。

土星年龄的计算机模型产生了20亿年的年龄差

在桑地亚Z机器进行的实验帮助解决了这个问题，当时他们证实了一个80年的命题，也即一般是绝缘体的分子氢会在足够压力的挤压下变成金属化。1935年物理学家尤金・魏格纳（Eugene Wigner）和希利亚德・亨廷顿（Hilliard Huntington）预测被压缩的氢分子晶格将会分解成单个氢原子，释放携带电流自由浮动的电子。

“这个长久存在的预测可以解释土星的温度，因为当氢金属化并与氦在密集液体里相结合，它可以释放氦雨。”桑地亚研究学者麦克・德斯加雷斯（Mike Desjarlais）这样说道。氦雨是一种可以改变行星进化的能量源。

“本质上来说，氦雨导致土星比预测的更加温暖。”马库斯・努德森（Marcus Knudson）这样说道。努德森和德斯加雷斯是这篇发表在6月26日《科学》期刊上的文章的首席作者。这篇文章名为《对密集液态重氢里突兀的绝缘体-金属转变的直接观测》。这个密度驱动的氢转变从未被实验性的观测到。

这项测试是在桑地亚Z机器上进行的，后者是世界上最强大的脉冲驱动的机器，它会朝目标发送巨大但精确调节的亚微秒电脉冲。包围脉冲的相应的强磁场则以较低温度挤压氘，后者是氢的较重同位素。之前的实验使用了气枪来打击气体。这会在增加它压力的同时增加它的温度，这导致温度往往超出密度驱动过程转变的理想范围。

“我们从20开尔文开始，当时氢还是液体，然后发送几百千帕的打击压力来给液体升温，”努德森说道。“然后我们使用了Z的磁场进一步压缩氢，这导致它会恰好位于液体-固体交界线之上，大约为1000开尔文。”

德斯加雷斯表示“当液体被压缩至它初始密度的12倍以上时，我们发现它表现得更类似原子而非分子。这种转变大约发生在3兆帕的压力下，这为理论学家提供了用于计算的准确数据，并帮助确定对这些极端环境进行建模的最佳理论框架。”目前仍需要将这些结果应用于天体物理学模型里以调查这种现在被证实的转变是否会极大的减少两个巨大行星之间的年龄间隔。

“桑地亚的研究展示了密集的氢可以是金属的，这将改变行星里氢和氦的共同存在，”麦特逊这样说道。“因此考虑到我们的结果，提出的氦雨机制是可行的，但在未来几年仍需要继续进行科学讨论来达到新的共识。”

有趣的是，科学家是从光学角度确定达到金属状态。“在Z里存在太多电器噪声，因此无法进行电气测试，尽管我们计划直接测量电流。”努德森说道。光学测试依赖从0反射率（绝缘体）到金属可以达到的反射率的转变。

“你可以获得反射率的唯一前提便是材料是金属的，”努德森说道。在可见光谱范围――从450纳米到750纳米――都对反射率进行了测试。“这个实验本身会产生光，我们收集光，将它们放在光谱仪里进行散射，然后让它通过照相机从而进行观测。”

当氢绝缘体获得足够大的压力而变得金属化时，研究人员观测到45%的反射率，这与理论计算非常符合，德斯加雷斯解释道。“这是理论和实验非常好的结合，我们使用了所有计算工具――这是非常重要的――为在Z机器里获得复杂实验观测提供了证明和解译。”

这项研究是与德国罗斯托克大学的罗纳德・雷德默（Ronald Redmer）教授的研究小组进行合作的结果，这属于桑地亚Z基础科学计划的一部分。这个跨学科小组包含不同背景的研究人员，包括创新性实验设计、诊断和脉冲成形性能，并与基于量子力学的方法的理论分析相匹配。

其它研究作者包括罗斯托克大学的安德里亚斯・贝克（Andreas Becker）、雷・莱姆克（Ray Lemke）、凯尔・科克兰（Kyle Cochrane）、马克・萨瓦赫（Mark Savage）和大卫・布里斯（Dave Bliss）。Z机器是美国能源部国家核能安全管理局支持的国家高能密度科学设备。