Плотный железный водород – фаза водорода, которая ведет себя как электронный проводник – составляет внутреннюю часть планет-гигантов, но ее тяжело учить. Объединив искусственный ум и квантовую механику, ученые узнали, как водород преобразуется в сплав в критериях экстремального давления на этих планетках.
Исследователи из Кембриджского института (Англия) и их коллеги употребляли машинное обучение для имитации взаимодействия меж атомами водорода, преодолев ограничения даже самых массивных суперкомпьютеров. Они нашли, что заместо резкого фазового перехода водород меняется плавненько и равномерно. Выводы ученых размещены в журнальчике Nature.
Водород, состоящий из 1-го протона и 1-го электрона, является самым обычным и самым всераспространенным элементом во Вселенной. Это доминирующий компонент внутренней части планет-гигантов в Солнечной системе – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, также экзопланет, крутящихся вокруг остальных звезд.
Предполагаемое строение Юпитера (газообразный водород, водянистый водород, железный водород, каменное ядро). Credit: Vadim Sadovski
На поверхности газовых гигантов водород остается молекулярным газом. Но в недрах планет давление превосходит миллионы обычных атмосфер. При таком экстремальном сжатии водород претерпевает фазовый переход: ковалентные связи снутри молекул разрываются, и газ становится сплавом, проводящим электричество.
«Существование железного водорода было теоретизировано столетие вспять, но мы не знаем, как происходит этот процесс, из-за проблем с воссозданием критерий экстремального давления снутри огромной планетки в лабораторных критериях и большой трудности прогнозирования поведения огромных водородных систем», – разъясняет ведущий создатель исследования доктор Бингкинг Ченг из Кембриджского института.
Физики пробовали изучить плотный водород эксперементально, используя ячейку с алмазной наковальней, в какой два алмаза оказывают высочайшее давление на замкнутый эталон. Хотя алмаз – самое жесткое вещество на Земле, такое устройство выйдет из строя при экстремальном давлении и больших температурах, в особенности при контакте с водородом, вопреки утверждениям о том, что алмаз вечен. Это делает опыты сложными и дорогостоящими.
Теоретические исследования также непросты: хотя движение атомов водорода быть может описано при помощи уравнений, основанных на квантовой механике, вычислительная мощность, нужная для расчета поведения систем с наиболее чем несколькими тыщами атомов в течение наиболее нескольких наносекунд, превосходит способности самых огромных и стремительных суперкомпьютеров в мире.
Художественное представление газового гиганта GJ 3512 b. Credit: CARMENES/RenderArea/J. Bollaín/C. Gallego
Принято считать, что переход к железному водороду является резвым преобразованием, которое сопровождается резкими переменами всех физических параметров. Обычным примером фазового перехода первого рода является кипение водянистой воды: когда жидкость преобразуется в пар, ее наружный вид и поведение на сто процентов изменяются невзирая на то, что температура и давление остаются прежними.
В текущем теоретическом исследовании ученые употребляли машинное обучение для имитации взаимодействия меж атомами водорода, чтоб преодолеть ограничения прямых квантово-механических расчетов.
«Мы пришли к изумительному выводу и отыскали подтверждения непрерывного перехода от молекулы к атому в плотной водородной воды заместо фазового перехода первого рода», – сказал Бингкинг Ченг.
Предполагаемое строение Сатурна (молекулярный водород, железный водород, ядро из силикатов и металлов и, предположительно, льда). Credit: Vadim Sadovski
Переход плавный, так как соответственная «критичная точка» укрыта. Критичные точки встречаются везде при всех фазовых переходах меж жидкостями: все вещества, которые могут существовать в 2-ух фазах, имеют критичные точки. Система с открытой критичной точкой, к примеру, для пара и водянистой воды, описывает точное различие агрегатных состояний. Но плотный водородный флюид со сокрытой критичной точкой может равномерно и безпрерывно трансформироваться меж молекулярной и атомарной фазами. Не считая того, эта сокрытая критичная точка также вызывает остальные необыкновенные явления, включая максимумы плотности и теплоемкости.
Открытие непрерывного перехода дает новейший метод интерпретации противоречивого огромного количества тестов с плотным водородом. Оно также предполагает плавный переход меж изоляционным и железным слоями газовых гигантов. Вне всякого сомнения, этот подход откроет больше физических представлений о водородных системах в дальнейшем.