Tin tức Vũ trụ TV

AI được sử dụng để chỉ ra cách hydro trở thành kim loại bên trong các hành tinh khổng lồ

Ngày:
Sep 10, 2020
Tóm lược:

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng sự kết hợp giữa AI và cơ học lượng tử để tiết lộ cách hydro dần dần biến thành kim loại bên trong các hành tinh khổng lồ.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng sự kết hợp giữa AI và cơ học lượng tử để tiết lộ cách hydro dần dần biến thành kim loại bên trong các hành tinh khổng lồ.

Hydro kim loại dày đặc – một pha hydro hoạt động giống như chất dẫn điện – tạo nên phần bên trong của các hành tinh khổng lồ, nhưng rất khó nghiên cứu và kém hiểu biết. Bằng cách kết hợp trí tuệ nhân tạo và cơ học lượng tử, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách hydro trở thành kim loại trong điều kiện áp suất khắc nghiệt của các hành tinh này.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge, IBM Research và EPFL đã sử dụng công nghệ máy học để bắt chước tương tác giữa các nguyên tử hydro nhằm khắc phục các giới hạn về kích thước và thời gian của ngay cả những siêu máy tính mạnh nhất. Họ phát hiện ra rằng thay vì xảy ra như một sự chuyển đổi đột ngột, hoặc bậc nhất, hydro thay đổi một cách trơn tru và từ từ. Kết quả được báo cáo trên tạp chí Nature .

Hydro, bao gồm một proton và một electron, vừa là nguyên tố đơn giản nhất vừa là nguyên tố phong phú nhất trong Vũ trụ. Nó là thành phần chính của bên trong các hành tinh khổng lồ trong hệ mặt trời của chúng ta – Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương – cũng như các hành tinh ngoại quay quanh các ngôi sao khác.

Tại bề mặt của các hành tinh khổng lồ, hydro vẫn là khí phân tử. Tuy nhiên, di chuyển sâu hơn vào bên trong của các hành tinh khổng lồ, áp suất vượt quá hàng triệu bầu khí quyển tiêu chuẩn. Dưới sự nén cực mạnh này, hydro trải qua một quá trình chuyển pha: các liên kết cộng hóa trị bên trong các phân tử hydro bị phá vỡ, và khí trở thành kim loại dẫn điện.

Tác giả chính, Tiến sĩ Bingqing Cheng từ Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge cho biết: “Sự tồn tại của hydro kim loại đã được đưa ra giả thuyết cách đây một thế kỷ, nhưng những gì chúng ta chưa biết là quá trình này xảy ra như thế nào, do những khó khăn trong việc tái tạo các điều kiện áp suất cực lớn bên trong của một hành tinh khổng lồ trong môi trường phòng thí nghiệm, và Sự phức tạp của việc dự đoán hành vi của các hệ thống hydro lớn”.

Các nhà thực nghiệm đã cố gắng điều tra hydro đậm đặc bằng cách sử dụng một tế bào đe kim cương, trong đó hai viên kim cương áp dụng áp suất cao lên một mẫu hạn chế. Mặc dù kim cương là chất cứng nhất trên Trái đất, nhưng thiết bị này sẽ hỏng dưới áp suất cực cao và nhiệt độ cao, đặc biệt là khi tiếp xúc với hydro, trái ngược với tuyên bố rằng kim cương là mãi mãi. Điều này làm cho các thí nghiệm vừa khó vừa tốn kém.

Các nghiên cứu lý thuyết cũng đầy thách thức: mặc dù chuyển động của các nguyên tử hydro có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các phương trình dựa trên cơ học lượng tử, nhưng sức mạnh tính toán cần thiết để tính toán hoạt động của các hệ thống có hơn vài nghìn nguyên tử trong thời gian dài hơn vài nano giây vượt quá khả năng của siêu máy tính lớn nhất và nhanh nhất thế giới.

Người ta thường cho rằng sự chuyển đổi của hydro đậm đặc là bậc nhất, đi kèm với sự thay đổi đột ngột trong tất cả các tính chất vật lý. Một ví dụ phổ biến của quá trình chuyển pha bậc một là nước lỏng đang sôi: một khi chất lỏng trở thành hơi, hình dạng và hành vi của nó hoàn toàn thay đổi mặc dù thực tế là nhiệt độ và áp suất vẫn giữ nguyên.

Trong nghiên cứu lý thuyết hiện tại, Cheng và các đồng nghiệp của cô đã sử dụng máy học để bắt chước tương tác giữa các nguyên tử hydro, nhằm khắc phục những hạn chế của các phép tính cơ lượng tử trực tiếp.

Cheng, người cũng là Nghiên cứu sinh tại Đại học Trinity cho biết: “Chúng tôi đã đi đến một kết luận đáng ngạc nhiên và tìm thấy bằng chứng cho sự chuyển đổi phân tử thành nguyên tử liên tục trong chất lỏng hydro đậm đặc, thay vì một chất lỏng bậc nhất.

Quá trình chuyển đổi diễn ra suôn sẻ vì ‘điểm tới hạn’ được liên kết bị ẩn. Các điểm tới hạn có mặt ở khắp mọi nơi trong quá trình chuyển pha giữa các chất lỏng: tất cả các chất có thể tồn tại trong hai pha đều có điểm tới hạn. Hệ thống có điểm tới hạn lộ ra, chẳng hạn như hệ thống dành cho hơi và nước lỏng, có các pha phân biệt rõ ràng. Tuy nhiên, chất lỏng hydro đậm đặc, với điểm tới hạn ẩn, có thể biến đổi dần dần và liên tục giữa các pha phân tử và nguyên tử. Hơn nữa, điểm tới hạn ẩn này cũng gây ra các hiện tượng bất thường khác, bao gồm mật độ và nhiệt dung tối đa.

Phát hiện về sự chuyển tiếp liên tục cung cấp một cách mới để giải thích cơ thể mâu thuẫn của các thí nghiệm về hydro dày đặc. Nó cũng ngụ ý về sự chuyển đổi suôn sẻ giữa các lớp cách điện và kim loại trong các hành tinh khí khổng lồ. Nghiên cứu sẽ không thể thực hiện được nếu không kết hợp học máy, cơ học lượng tử và cơ học thống kê. Không nghi ngờ gì nữa, cách tiếp cận này sẽ khám phá nhiều hiểu biết vật lý hơn về các hệ thống hydro trong tương lai. Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu nhằm trả lời nhiều câu hỏi mở liên quan đến giản đồ pha rắn của hydro dày đặc.


Nguồn truyện:

Tài liệu do Đại học Cambridge cung cấp . Câu chuyện gốc được cấp phép theo Giấy phép Creative Commons . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.


Tham khảo Tạp chí :

  1. Cheng, B., Mazzola, G., Pickard, CJ và cộng sự. Bằng chứng cho hành vi siêu tới hạn của hydro lỏng áp suất cao . Nature , 2020 DOI: 10.1038 / s41586-020-2677-y

Bài viết liên quan

Bài viết mới