Тёмный водород объяснил загадки гигантских планет

Исследователи во главе с Александром Гончаровым из Института науки Карнеги (США) и Стюартом Маквильямсом (Stewart McWilliams) из Эдинбургского университета (Великобритания) впервые зафиксировали в лаборатории новое состояние водорода, особенности которого прояснили сразу две крупные загадки гигантских планет типа Сатурна или Юпитера. Соответствующая статья опубликована в Physical Review Letters.

Учёные использовали ячейку с алмазными наковальнями и лазерным подогревом для сильнейшего мгновенного сжатия образцов водорода в лаборатории. Такая ячейка содержит два алмаза конической формы, передающих сжимающее усилие на рабочие площадки диаметром менее миллиметра. При этом создавалось давление от 10 000 до 1,5 миллиона атмосфер, а температуры возрастали до тысяч градусов. В итоге была зарегистрирована неожиданная промежуточная фаза состояния водорода. В ней он не пропускает видимый свет (исследователи назвали его тёмным водородом), но хорошо пропускает инфракрасное излучение (ИК), то есть и хорошо отводит тепло от всего, что с ним контактирует. Газообразный водород обычно прозрачен и куда хуже пропускает ИК-лучи. Однако новая фаза не является и полностью твёрдой или металлической. Хотя "тёмный" водород и проводит электричество, однако куда хуже давно известного металлического водорода.

Исследователи отмечают, что испробованный ими диапазон температур и давлений существует в недрах газовых гигантов типа Сатурна, весьма распространённых во Вселенной (их уже сейчас открыто более тысячи). Из-за своих крайне необычных свойств мощный слой тёмного водорода, неизбежно окружающий ядро таких тел, должен резко менять характеристики планет в целом. Так, высокая теплопроводность означает, что ядро гигантской планеты, окружённое тёмным водородом, будет остывать куда быстрее. До настоящего времени у планетологов не было чёткого понимания того, почему верхние слои ряда крупных планет теплее, чем должны быть. Ясно было, что избыточное тепло идёт от ядра. Но расчёты показывали, что его слишком много. Так, Юпитер выделяет существенно больше энергии, чем получает от Солнца. Ранее другие группы исследователей предполагали, что Юпитер обладает значительным запасом тепловой энергии, образовавшимся в процессе сжатия материи при формировании планеты, или что в его недрах идёт радиоактивный распад, однако все эти модели не давали удовлетворительного объяснения. Если тепло ядра столь хорошо переносится в верхние слои планеты благодаря "тёмному" водороду, странности "перегрева" гигантских планет могут быть вполне объяснимы.

Электропроводность "тёмного" водорода говорит о том, что он может участвовать в работе планетарного динамо, играя ту же роль, что и жидкая часть расплавленного железного ядра на Земле. Это позволяет тому же Сатурну иметь весьма мощное магнитное поле — оно настолько сильно, что внутри него находятся даже орбиты ряда спутников. Ранее механизм генерации магнитных полей там был не вполне ясен.

Учёные отмечают, что открытие было абсолютно неожиданным. Все существовавшие теоретически модели образования водорода не предсказывали такого странного фазового состояния. Поэтому было бы интересно изучить поведение при сверхвысоких давлениях и ряда других элементов, распространённых в недрах самых разных планет.