Плотный металлический водород – фаза водорода, которая ведет себя как электрический проводник – составляет внутреннюю часть планет-гигантов, но ее трудно изучать. Объединив искусственный интеллект и квантовую механику, ученые выяснили, как водород превращается в металл в условиях экстремального давления на этих планетах.
Исследователи из Кембриджского университета (Великобритания) и их коллеги использовали машинное обучение для имитации взаимодействия между атомами водорода, преодолев ограничения даже самых мощных суперкомпьютеров. Они обнаружили, что вместо резкого фазового перехода водород изменяется плавно и постепенно. Выводы ученых опубликованы в журнале Nature.
Водород, состоящий из одного протона и одного электрона, является самым простым и самым распространенным элементом во Вселенной. Это доминирующий компонент внутренней части планет-гигантов в Солнечной системе – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, а также экзопланет, вращающихся вокруг других звезд.
На поверхности газовых гигантов водород остается молекулярным газом. Однако в недрах планет давление превышает миллионы стандартных атмосфер. При таком экстремальном сжатии водород претерпевает фазовый переход: ковалентные связи внутри молекул разрываются, и газ становится металлом, проводящим электричество.
«Существование металлического водорода было теоретизировано столетие назад, но мы не знаем, как происходит этот процесс, из-за трудностей с воссозданием условий экстремального давления внутри гигантской планеты в лабораторных условиях и огромной сложности прогнозирования поведения больших водородных систем», – объясняет ведущий автор исследования доктор Бингкинг Ченг из Кембриджского университета.
Физики пытались исследовать плотный водород эксперементально, используя ячейку с алмазной наковальней, в которой два алмаза оказывают высокое давление на замкнутый образец. Хотя алмаз – самое твердое вещество на Земле, такое устройство выйдет из строя при экстремальном давлении и высоких температурах, особенно при контакте с водородом, вопреки утверждениям о том, что алмаз вечен. Это делает эксперименты сложными и дорогостоящими.
Теоретические исследования также непросты: хотя движение атомов водорода может быть описано с помощью уравнений, основанных на квантовой механике, вычислительная мощность, необходимая для расчета поведения систем с более чем несколькими тысячами атомов в течение более нескольких наносекунд, превышает возможности самых больших и быстрых суперкомпьютеров в мире.
Принято считать, что переход к металлическому водороду является быстрым преобразованием, которое сопровождается резкими изменениями всех физических свойств. Типичным примером фазового перехода первого рода является кипение жидкой воды: когда жидкость превращается в пар, ее внешний вид и поведение полностью меняются несмотря на то, что температура и давление остаются прежними.
В текущем теоретическом исследовании ученые использовали машинное обучение для имитации взаимодействия между атомами водорода, чтобы преодолеть ограничения прямых квантово-механических расчетов.
«Мы пришли к удивительному выводу и нашли доказательства непрерывного перехода от молекулы к атому в плотной водородной жидкости вместо фазового перехода первого рода», – сообщил Бингкинг Ченг.
Переход плавный, поскольку соответствующая «критическая точка» скрыта. Критические точки встречаются повсеместно при всех фазовых переходах между жидкостями: все вещества, которые могут существовать в двух фазах, имеют критические точки. Система с открытой критической точкой, например, для пара и жидкой воды, определяет четкое различие агрегатных состояний. Однако плотный водородный флюид со скрытой критической точкой может постепенно и непрерывно трансформироваться между молекулярной и атомарной фазами. Кроме того, эта скрытая критическая точка также вызывает другие необычные явления, включая максимумы плотности и теплоемкости.
Открытие непрерывного перехода дает новый способ интерпретации противоречивого множества экспериментов с плотным водородом. Оно также подразумевает плавный переход между изоляционным и металлическим слоями газовых гигантов. Без всякого сомнения, этот подход откроет больше физических представлений о водородных системах в будущем.