Ученые смоделировали фазовые переходы водорода в центре газовых гигантов

Mark Meamber/LLNL

С помощью искусственных нейронных сетей и методов машинного обучения ученые обнаружили плавный фазовый переход водорода из изоляционной жидкости в проводящую металлическую. Результаты работы объясняют строение мантий планет газовых гигантов, таких как Сатурн и Юпитер, а предложенная технология может быть использована в химии и материаловедении. Исследование опубликовано в журнале Nature.

При давлении в несколько мегабар водород переходит из изоляционной жидкости в металлическое жидкое состояние. Кроме того, что этот фазовый переход очень интересен для физики и материаловедения, он также имеет огромное значение в изучении планет. Жидкий водород содержится во внутренних слоях мантий планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Стандартные модели предполагали, что фазовый переход резкий и граница между внутренней и внешней мантией этих планет ярко выражена. Эксперимент, который нужно провести, чтобы изучить поведение водорода при том же давлении, что и на Юпитере, очень сложен, а существующие экспериментальные данные сильно отличаются друг от друга.

Для моделирования фазового перехода ученые из Кембриджского университета, Федеральной политехнической школы Лозанны и IBM Research в Цюрихе использовали искусственную нейронную сеть и методы машинного обучения. Это позволило исследовать водород при температуре от 100 до 4000 К и давлении от 25 до 400 гигапаскалей. Вопреки распространенному предположению о том, что этот фазовый переход резкий (относится к первому роду), моделирование показало, что превращение водорода в металлическую жидкость происходит постепенно. Этот результат предполагает наличие нечеткой границы между изоляционными и металлическими слоями газовых гигантов и устраняет существующие расхождения между предыдущими экспериментами.

«Если водород под высоким давлением — это сверхкритическая жидкость, как предполагает наше моделирование, то не существует резкого перехода, при котором все свойства имеют внезапный скачок, — рассказывает один из авторов работы, доцент Федеральной политехнической школы Лозанны Микеле Чериотти. — В зависимости от конкретного свойства, которое вы исследуете, и того, как вы определяете фазовый переход, вы обнаруживаете, что он происходит при разных температурах или давлениях. Это может объяснить десятилетие противоречивых результатов экспериментов с высоким давлением. В разных экспериментах измерялись немного разные вещи, и исследователи не смогли зафиксировать переход в одной и той же точке, потому что резкой границы между фазами просто не существует».

По словам ученых, несмотря на то что в данной статье методика применялась для изучения планет, та же технология может использоваться при решении любой другой задачи химии или материаловедения.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.