Металлический водород, Z-машина и Юпитер

Если погожим вечером посмотреть на небо, то можно увидеть, как в стремительно надвигающихся сумерках загораются звёзды. За крохотными искорками света прячутся целые галактики, туманности, планетные системы и, возможно, обитаемые миры. Мы, земляне, более или менее хорошо знаем лишь одну планету, — Землю. Наш мир красив голубым небом, мелкими и полноводными реками, горными хребтами, заливными лугами и лесами. Обобщая эту красоту, учёные скажут: азотно-кислородная атмосфера, океаны жидкой воды и карбонатно-скалистый рельеф составляют основу углеводородной жизни родной планеты. Конечно же, это крайне упрощённое представление о нас с вами.

Какой же элемент в этом списке главный? Кто-то подумает, что это кислород, ведь он необходим для аэробной формы дыхания. Кто-то выберет воду, — она идеальна для обмена веществ. Кто-то вспомнит об углероде, фосфоре и кальции, так как большинство организмов имеет твёрдый костный скелет. Впрочем, ради истины стоит заметить, что в костях имеются практически все земные элементы.

Однако наиболее распространённым веществом во всех сложных соединениях и молекулах на Земле является водород. В переводе с латинского языка, его название означает: — "рождающий воду". Хотя массовая доля водорода в земной коре мала и составляет всего-то один процент, тем не менее, судить о его важности нужно не по массе, а по числу атомов, участвующих в химических и биохимических процессах. В живых клетках флоры и фауны доля водорода судьбоносно возрастает до шестидесяти трех процентов.

Это на Земле. А как обстоят дела на других планетах Солнечной системе, вблизи иных звёзд Млечного Пути и в далёких галактиках? Глубокое зондирование космоса с помощью астрономических телескопов, — наземных (как например, "Аресибо" на острове Пуэрто-Рико) и орбитальных (американский "Хаббл") — выявило интересную картину. Водород, составляя первооснову облаков межгалактического газа и протопланетных дисков, буквально зажигает молодые звёзды во Вселенной. Также как это происходит в недрах Солнца, когда в термоядерных реакциях из двух ядер водорода синтезируется гелий.

Мы знаем, что в земных условиях свободный водород газообразный. Останется ли его фазовое состояние прежним, если значительно изменить температуру и давление окружающей среды? Не исключено, что природа во Вселенной гораздо богаче наших представлений о ней. Металлический водород на кончике пера смело предсказали учёные Ю. Вигнер и X.Б. Хантингтон ещё в 1935 году. По сути, если ядра водорода сближаются на расстояние меньше боровского радиуса, то есть сравнимое с длиной волны де Бройля электронов, то сила связи электрона с ядром становится слабой. Тогда электроны образуют свободный электронный газ так же легко, как в металлах.
Десятки лет идея витала в научном воздухе без употребления, не хватало надёжных материалов для устройств, выдерживающих инопланетные условия. Однажды этим озадачились исследователи из Сандийской национальной лаборатории в штате Нью-Мексико, США. Металлический водород они получили с помощью Z-машины, предназначенной для исследования поведения веществ в условиях экстремальных температур и давлений. О чём было опубликовано в журнале Science 26 июня 2015 года, где утверждалось, что новое фазовое состояние водорода проявляет свойства металла.Это прорыв?! Неизбежно найдётся безнадежный скептик, который уныло спросит: "А принесёт ли данное научно-технологическое достижение пользу"? Попробуем ответить. Металлический водород есть не только вырожденное состояние вещества, но, по теоретическим расчётам, он может обладать высокотемпературной сверхпроводимостью. За этим обязательно последуют свежие изобретения в промышленности, экономия энергии и бюджетных средств.

Резюмируем вышесказанное. В лаборатории на Z-машине земляне получили крохотное количество удивительного состояния водорода. Поможет ли это достижение нам в изучении космоса? "Несомненно", — подумают оптимисты, и астрономы подтвердят. Большие количества металлического водорода имеются в ядрах газовых планет-гигантов: Юпитера, Сатурна.

Космический зонд "Галилео", исследующий юпитерианскую атмосферу и поверхность в 1995 году, обрадовал нас открытиями. На глубине сто сорок шесть километров "Галилео" обнаружил, что температура атмосферы достигла +153 градусов Цельсия, а давление — 22 атмосфер. Из-за чрезвычайного гравитационного сжатия под газовым слоем атмосферы Юпитера плещутся целые океаны из жидкого металлического водорода. А вследствие мощнейших электрических токов, блуждающих там, регулярно сверкают сверхсильные разряды молний, и льёт гелиевый дождь. Под толщей юпитерианских океанов, на глубине ниже сорока шести тысяч километров, скорее всего, — зондами нижележащий слой не промерен, — находится ядро из твёрдого металлического водорода или сплава с металлическим гелием.

Сходные условия могут существовать и на гигантских внесолнечных планетах. На сегодня достоверно подтверждено существование 2049 экзопланет в 1297 планетных системах. Большинство из них газовые гиганты, похожие на Юпитер. Плещутся ли и там океаны из металлического водорода? Дело осталось за малым, — проверить.