L'idrogeno metallico è uno dei materiali più rari sulla Terra, eppure più dell'80% dei pianeti, compreso Giove, Saturno, e centinaia di pianeti extrasolari, sono composti da questa forma esotica di materia.

La sua abbondanza nel nostro sistema solare, nonostante la sua rarità sulla Terra, rende l'idrogeno metallico un obiettivo intrigante per i ricercatori del Laboratorio di Energetica Laser (LLE) dell'Università di Rochester che studiano la formazione e l'evoluzione dei pianeti, incluso il modo in cui i pianeti sia all'interno che all'esterno del nostro sistema solare formano scudi magnetici.

"L'idrogeno metallico è la forma di materia più abbondante nel nostro sistema planetario, "dice Mohamed Zaghoo, un ricercatore associato presso LLE. "È un peccato che non ce l'abbiamo naturalmente qui sulla terra, ma su Giove, ci sono oceani di idrogeno metallico. Vogliamo scoprire come questi oceani diano origine all'enorme campo magnetico di Giove." Zaghoo e Gilbert 'Rip' Collins, un professore di ingegneria meccanica e di fisica e direttore del programma di fisica ad alta densità di energia di Rochester, ha studiato la conduttività dell'idrogeno metallico per svelare ulteriormente i misteri dell'effetto dinamo, il meccanismo che genera campi magnetici sui pianeti, inclusa la Terra. Hanno pubblicato i loro risultati nel Giornale Astrofisico .

Creazione di idrogeno metallico a Lle

Ogni elemento agisce in modo diverso sotto pressione e temperatura intense. Acqua di riscaldamento, Per esempio, genera un gas sotto forma di vapore acqueo; il congelamento crea ghiaccio solido. L'idrogeno è normalmente un gas, ma ad alte temperature e pressioni, le condizioni che esistono all'interno di pianeti come Giove, l'idrogeno assume le proprietà di un metallo liquido e si comporta come un conduttore elettrico.

Sebbene gli scienziati abbiano teorizzato per decenni l'esistenza dell'idrogeno metallico, era quasi impossibile creare sulla Terra. "Le condizioni per creare idrogeno metallico sono così estreme che, sebbene l'idrogeno metallico sia abbondante nel nostro sistema solare, è stato creato solo in pochi posti sulla terra, " dice Zaghoo. "Il LLE è uno di quei posti."

Al LLE, i ricercatori usano il potente laser OMEGA per sparare impulsi su una capsula di idrogeno. Il laser colpisce il campione, sviluppando un'alta pressione, condizione di alta temperatura che consente la rottura degli atomi di idrogeno strettamente legati. Quando questo accade, l'idrogeno si trasforma dallo stato gassoso allo stato liquido lucido, molto simile all'elemento mercurio.

Comprensione dell'effetto dinamo

Studiando la conduttività dell'idrogeno metallico, Zaghoo e Collins sono in grado di costruire un modello più accurato dell'effetto dinamo, un processo in cui l'energia cinetica dei fluidi in movimento si converte in energia magnetica. I giganti gassosi come Giove hanno una dinamo molto potente, ma il meccanismo è presente anche nelle profondità della Terra, nel nucleo esterno. Questa dinamo crea il nostro campo magnetico, rendendo il nostro pianeta abitabile proteggendoci dalle particelle solari nocive. I ricercatori possono mappare il campo magnetico terrestre, ma, perché la terra ha una crosta magnetica, i satelliti non possono vedere abbastanza lontano nel nostro pianeta per osservare la dinamo in azione. Giove, d'altra parte, non ha una barriera crostale. Ciò rende relativamente più facile per i satelliti, come la sonda spaziale Juno della NASA, attualmente in orbita attorno a Giove, per osservare le strutture profonde del pianeta, dice Collins. "È molto umiliante poter caratterizzare uno degli stati più interessanti della materia, idrogeno metallico liquido, qui in laboratorio, utilizzare questa conoscenza per interpretare i dati satellitari da una sonda spaziale, e poi applica tutto questo ai pianeti extrasolari."

Zaghoo e Collins hanno concentrato la loro ricerca sulla relazione tra l'idrogeno metallico e l'inizio dell'azione della dinamo, compresa la profondità dove si forma la dinamo di Giove. Hanno scoperto che è probabile che la dinamo di giganti gassosi come Giove abbia origine più vicino alla superficie, dove l'idrogeno metallico è più conduttivo, rispetto alla dinamo della Terra. Questo dato, combinato con le rivelazioni di Giunone, possono essere incorporati in modelli simulati che consentiranno un quadro più completo dell'effetto dinamo.

"Parte del mandato per la missione Juno era cercare di capire il campo magnetico di Giove, " dice Zaghoo. "Un elemento chiave complementare ai dati di Juno è quanto sia conduttivo l'idrogeno a profondità variabili all'interno del pianeta. Dobbiamo incorporarlo nei nostri modelli per fare previsioni migliori sull'attuale composizione ed evoluzione del pianeta".

Una migliore comprensione dei pianeti nel nostro sistema solare fornisce anche maggiori informazioni sulla schermatura magnetica degli esopianeti al di fuori del nostro sistema solare e può aiutare a determinare la possibilità di vita su altri pianeti. Le ricerche hanno a lungo pensato che i pianeti con campi magnetici siano in grado di sostenere meglio le atmosfere gassose e quindi abbiano maggiori probabilità di ospitare la vita, dice Zaghoo. "La teoria della dinamo e i campi magnetici sono condizioni chiave per l'abitabilità. Ogni anno vengono scoperti centinaia di esopianeti al di fuori del nostro sistema solare e pensiamo che molti di questi pianeti siano come Giove e Saturno. Non possiamo ancora andare su questi pianeti, ma possiamo applicare le nostre conoscenze sui super giganti del nostro sistema solare per creare modelli di come potrebbero essere questi pianeti".