L'hydrogène métallique est l'un des matériaux les plus rares sur Terre, pourtant plus de 80 pour cent des planètes, y compris Jupiter, Saturne, et des centaines de planètes extrasolaires - sont composées de cette forme de matière exotique.

Son abondance dans notre système solaire, malgré sa rareté sur Terre, fait de l'hydrogène métallique un sujet d'intérêt pour les chercheurs du Laboratoire d'énergie laser (LLE) de l'Université de Rochester qui étudient la formation et l'évolution des planètes. y compris comment les planètes à l'intérieur et à l'extérieur de notre système solaire forment des boucliers magnétiques.

"L'hydrogène métallique est la forme de matière la plus abondante dans notre système planétaire, " dit Mohamed Zaghoo, chercheur associé au LLE. "C'est dommage que nous ne l'ayons pas naturellement ici sur terre, mais sur Jupiter, il y a des océans d'hydrogène métallique. Nous voulons découvrir comment ces océans donnent naissance à l'énorme champ magnétique de Jupiter." Zaghoo et Gilbert 'Rip' Collins, professeur de génie mécanique et de physique et directeur du programme de physique des hautes densités d'énergie de Rochester, a étudié la conductivité de l'hydrogène métallique pour élucider davantage les mystères de l'effet dynamo, le mécanisme qui génère des champs magnétiques sur les planètes, y compris la Terre. Ils ont publié leurs conclusions dans le Journal d'astrophysique .

Créer de l'hydrogène métallique à la Lle

Chaque élément agit différemment sous une pression et une température intenses. Eau de chauffage, par exemple, génère un gaz sous forme de vapeur d'eau; la congélation crée de la glace solide. L'hydrogène est normalement un gaz, mais à des températures et des pressions élevées - les conditions qui existent au sein de planètes comme Jupiter - l'hydrogène prend les propriétés d'un métal liquide et se comporte comme un conducteur électrique.

Bien que les scientifiques aient théorisé pendant des décennies l'existence de l'hydrogène métallique, il était presque impossible de créer sur Terre. "Les conditions pour créer de l'hydrogène métallique sont si extrêmes que, bien que l'hydrogène métallique soit abondant dans notre système solaire, il n'a été créé qu'à quelques endroits sur terre, " dit Zaghoo. " Le LLE est un de ces endroits. "

Au LLE, les chercheurs utilisent le puissant laser OMEGA pour tirer des impulsions sur une capsule d'hydrogène. Le laser frappe l'échantillon, développer une haute pression, condition de haute température qui permet aux atomes d'hydrogène étroitement liés de se briser. Quand cela arrive, l'hydrogène est transformé de son état gazeux à un état liquide brillant, un peu comme l'élément mercure.

Comprendre l'effet dynamo

En étudiant la conductivité de l'hydrogène métallique, Zaghoo et Collins sont capables de construire un modèle plus précis de l'effet dynamo, un processus dans lequel l'énergie cinétique des fluides conducteurs en mouvement se convertit en énergie magnétique. Les géantes gazeuses comme Jupiter ont une dynamo très puissante, mais le mécanisme est également présent au plus profond de la Terre, dans le noyau externe. Cette dynamo crée notre propre champ magnétique, rendre notre planète habitable en nous protégeant des particules solaires nocives. Les chercheurs peuvent cartographier le champ magnétique terrestre, mais, parce que la terre a une croûte magnétique, les satellites ne peuvent pas voir assez loin dans notre planète pour observer la dynamo en action. Jupiter, d'autre part, n'a pas de barrière de croûte. Cela rend relativement plus facile pour les satellites, comme la sonde spatiale Juno de la NASA, actuellement en orbite autour de Jupiter - pour observer les structures profondes de la planète, dit Collins. "C'est très humiliant de pouvoir caractériser l'un des états les plus intéressants de la matière, hydrogène métallique liquide, ici au laboratoire, utiliser ces connaissances pour interpréter les données satellitaires d'une sonde spatiale, puis appliquez tout cela aux planètes extrasolaires."

Zaghoo et Collins ont concentré leurs recherches sur la relation entre l'hydrogène métallique et le début de l'action dynamo, y compris la profondeur où se forme la dynamo de Jupiter. Ils ont découvert que la dynamo des géantes gazeuses comme Jupiter est susceptible de provenir plus près de la surface - où l'hydrogène métallique est le plus conducteur - que la dynamo de la Terre. Ces données, combiné avec les révélations de Juno, peuvent être incorporés dans des modèles simulés qui permettront une image plus complète de l'effet dynamo.

"Une partie du mandat de la mission Juno était d'essayer de comprendre le champ magnétique de Jupiter, " dit Zaghoo. " Une pièce complémentaire clé aux données Juno est à quel point l'hydrogène est conducteur à différentes profondeurs à l'intérieur de la planète. Nous devons intégrer cela dans nos modèles afin de faire de meilleures prédictions sur la composition et l'évolution actuelles de la planète."

Une meilleure compréhension des planètes de notre propre système solaire permet également de mieux comprendre le blindage magnétique des exoplanètes en dehors de notre système solaire et peut aider à déterminer la possibilité de vie sur d'autres planètes. Les recherches ont longtemps pensé que les planètes avec des champs magnétiques sont mieux capables de supporter des atmosphères gazeuses et sont donc plus susceptibles d'abriter la vie, dit Zaghoo. "La théorie de la dynamo et les champs magnétiques sont des conditions clés d'habitabilité. Il y a des centaines d'exoplanètes découvertes en dehors de notre système solaire chaque année et nous pensons que beaucoup de ces planètes sont comme Jupiter et Saturne. Nous ne pouvons pas encore aller sur ces planètes, mais nous pouvons appliquer nos connaissances sur les super-géantes de notre propre système solaire pour créer des modèles de ce à quoi pourraient ressembler ces planètes."