Планеты-гиганты Солнечной системы, Юпитер и Сатурн заполнены жидким металлическим сплавом… гелия и водорода.

Юпитер и Сатурн — не только гиганты, но и красавцы

Недавно обнародованные результаты исследования, проведенного астрономами из США и Великобритании, показывают, что газовые гиганты Юпитер и Сатурн заполнены довольно странным «варевом» — металлическим гелием. Похоже, это состояние вещества намного более распространено, чем считалось, и может появляться в условиях, которые присутствуют в недрах таких планет, где под колоссальным давлением идет его перемешивание с металлическим водородом и получается жидкий сплав этих (как мы привыкли их называть) газов.

«В части нашего понимания поведения вещества это серьезный прорыв, — делится один из участников работы, профессор Рэймонд Жинлоз (Raymond Jeanloz), — и важен он для понимания не только длительных процессов планетарной эволюции, но и того, как определяется состояние вещества, его стабильность, физические и химические свойства».

В исследовании изучались условия, которые трудно себе даже вообразить — давления в миллионы раз сильнее, чем атмосферное, давление, которое существует в недрах газовых гигантов, огромных планет без твердой оболочки. К ним относятся и Юпитер с Сатурном, и если в области ядра Земли давление достигает 3,5 млн атмосфер, то в их глубинах оно повышается уже до 70 млн. При этом нельзя забывать и о температуре, которая достигает здесь 10−20 тыс. градусов Цельсия, то есть в 2−4 раза выше, чем на поверхности Солнца. Действительно, в таких адских условиях может быть что угодно. Но что именно? Это и изучала группа Жинлоза совместно со своими коллегами из Лондона во главе с Ларсом Стиксрудом (Lars Stixrude).

Обычно подобные исследования концентрируются на водороде, самом распространенном элементе и во Вселенной, и в составе газовых гигантов. Но хотя это и самый легкий элемент, состоящий всего из одного протона и одного электрона, на деле его поведение не так-то легко предсказать, ведь его атомы легко связываются, образуя пары — молекулы Н2. Так что в некотором роде гелий, не склонный к подобным проделкам, даже проще для изучения. Именно на поведении гелия в подобных условиях и сфокусировались ученые на этот раз. Сам по себе гелий тоже весьма распространен, это второй по «популярности» элемент во Вселенной, составляющий до 10% всей обычной материи.

Ученые использовали теоретические модели, составленные согласно законам квантовой механики, и провели сложные расчеты, чтобы предсказать поведения гелия в условиях экстремально высоких давлений и температур. Конечно, это исследование «на кончике пера» дает лишь приблизительные результаты, но проверив свои выкладки на менее экстремальных условиях, ученые выяснили, что их уравнения прекрасно согласуются с экспериментальными данными. Судя по всему, и в случае колоссальных температур и давлений (конечно, пока невоспроизводимых в лаборатории) мы вполне можем положиться на их теоретические результаты.

Итак, в привычных нам условиях поверхности Земли гелий — бесцветный прозрачный, непроводящий, химически инертный газ. Однако при давлениях в десятки миллионов атмосфер и температурах в десятки тысяч градусов он, по выражению ученых, «превращается в ртуть»: во‑первых, становится жидкостью, а во-вторых, начинает проводить электричество.

Это особенно удивило исследователей, ведь до сих пор считалось, что подобные условия, наоборот, затрудняют «металлизацию» таких химических элементов. Для того, чтобы проводить электричество, в структуре должны появиться свободные электроны, способные «течь» по веществу, как вода течет по ручью. По словам Рэймонда Жинлоза, «высокая температура заставляет атомы двигаться все более быстро и, казалось бы, ее повышение должно создавать препятствие для движения электронов — как камни, упавшие в ручей, перегораживают его». Но, судя по всему, все как раз наоборот: активное движение атомов само по себе создает моментальные «фарватеры» для движения электронов.

Кроме того, недавно было показано, что такая «металлизация» водорода происходит при более низких температурах и давлениях. Так что считалось, что поскольку характеристики водорода и гелия сильно различаются, то если они даже встретятся внутри газового гиганта, смешиваться они не будут. Однако оказалось, что на деле они перемешиваются, образуя своего рода металлический сплав — только жидкий и состоящий из веществ, которые мы привыкли воспринимать, как газы.

Это необычное исследование ставит перед учеными массу новых вопросов. Дело в том, что и Юпитер, и Сатурн, по расчетам, выделяют значительно больше энергии, нежели поглощают от Солнца, и никто не знает, откуда берется этот избыток. Одна из теорий говорит, что капли гелия, конденсируясь высоко в их атмосферах, падают «гелиевым дождем» до самого центра (твердых-то оболочек у этих планет нет), высвобождая при этом энергию. Однако раз гелий и водород так хорошо перемешиваются друг с другом, то гелиевый дождь вряд ли возможен. Придется искать другой источник энергии.

Подробнее об исследованиях Юпитера и Сатурна читайте в обзорной статье «В краю гигантов».

По пресс-релизу UC Berkeley