Американські та швейцарські вчені побудували першу модель процесів, що відбуваються всередині Юпітера, яка дозволила описати всі етапи переходу водню в металевий стан. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature.
Водень – найпростіший елемент, що складається з одного протона і одного електрона, і найпоширеніший елемент у Всесвіті. Це головний компонент планет-гігантів, таких як Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун.
На поверхні цих планет водень залишається молекулярним газом, однак в центрі – знаходиться в металевому стані і поводиться як провідник. На це вказують розрахунки і результати спостережень. Але до сих пір побудувати фізико-хімічну модель фазового переходу газоподібного водню в метал не виходило – не вистачало обчислювальних потужностей.
Вченим з Кембриджського університету, Дослідницького центру компанії IBM в Цюріху і Федеральної політехнічної школи Лозанни (EPFL) це вдалося, завдяки об’єднанню засобів машинного навчання, квантової механіки і сучасних методів статистичної обробки.
“Існування металевого водню було теоретично передбачене століття тому, але ми не знали, як відбувається цей процес, через неможливість відтворити його в лабораторії і величезну складість прогнозування поведінки великих водневих систем” – наводяться в прес-релізі Кембриджського університету слова автора дослідження, доктора Бінцін Чена (Bingqing Cheng) з лабораторії Кавендіша.
В якості основи для моделі були взяті точні розрахунки для невеликої ділянки електронної структури щільного водню, а система машинного навчання розповсюдила їх на величезний діапазон температур – від 100 до 4000 кельвінів, і тисків – від 25 до 400 гігапаскалів.
У підсумку, моделювання, яке виконувалося на комп’ютерах EPFL, зайняло всього кілька тижнів у порівнянні з сотнями мільйонів років процесорного часу, які потрібні були б у разі запуску традиційних симуляцій для вирішення квантово-механічних задач.
Результати моделювання показали, що фазовий стан водню в умовах екстремального тиску змінюється плавно і поступово, а не різко, як годиться при переході першого роду, який супроводжується одномоментною зміною всіх фізичних властивостей. Класичний приклад фазового переходу першого роду – кипіння рідкої води: як тільки рідина стає паром, її зовнішній вигляд і поведінка повністю змінюються, незважаючи на те, що температура і тиск залишаються колишніми.
Оскільки цей перехід у водню плавний, важко визначити конкретні критичні точки переходів. Вчені називають такі стани системами з прихованою критичною точкою. Водень трансформується поступово і безперервно між молекулярною і атомарною фазами, переходячи з газоподібного стану спочатку в газово-рідкий флюїд, потім – в ізоляційну рідину, а вже потім – в рідкий метал.
Відкриття теоретично обґрунтовує спостережуваний плавний перехід між ізоляційними і провідниковими шарами в гігантських газових планетах, а також пояснює суперечливість результатів багатьох експериментів з щільним воднем.
