كشف لغز الهيدروجين المعدنى فى مركز المشترى

صمم علماء من الولايات المتحدة وسويسرا نموذجاً أولياً للعمليات الجارية داخل كوكب المشترى، ما سمح لهم بوصف مراحل تحول الهيدروجين إلى الحالة المعدنية، وتفيد مجلة Nature بأن الهيدروجين هو أبسط عنصر يتكون من بروتون واحد وإلكترون واحد، الأكثر انتشارا فى الكون، وهو المكون الأساسى لكواكب المشترى وزحل وأورانوس ونبتون.

ويبقى الهيدروجين على سطح هذه الكواكب فى حالته الغازية، ولكن فى المركز يكون فى الحالة المعدنية، ويصبح مثل الموصل. هذا ما كشفته نتائج المراقبة والحسابات.

وتمكن علماء من جامعة كامبريدج ومركز بحوث IBM فى زيوريخ وكلية البوليتكنيك فى لوزان (EPFL) من تصميم نموذج أولى يجمع بين قدرات التعليم الآلى وميكانيكا الكم وتقنيات المعالجة الإحصائية الحديثة، ويقول الدكتور بينجينج تشينج من مختبر كافينديش، "كان وجود الهيدروجين المعدنى نظريا متوقعا منذ قرن، ولكننا لم نكن نعرف كيف تجرى هذه العملية، لعدم إمكانية تكرارها فى المختبر والصعوبة الكبيرة فى التنبؤ بسلوك نظم الهيدروجين المتعددة".

وجرت عملية تصميم النموذج باستخدام كمبيوترات EPFL، الذى كان أساسه حسابات منطقة صغيرة من التركيب الإلكترونى للهيدروجين الكثيف، التى وسعها نظام التعليم الآلى إلى نطاق كبير من درجات الحرارة من 100 إلى 4000 كلفن وضغط من 25 إلى 400 غيغا باسكال. وقد استغرقت هذه العملية مدة أسبوعين فقط.

وأظهرت نتائج النمذجة، أن الحالة المرحلية للهيدروجين فى ظروف الضغط الشاذ، تتغير تدريجيا وليس بصورة مفاجئة، كما يفترض عند الانتقال من الدرجة الأولى الذى يرافقه تغير لحظى لجميع الخصائص الفيزيائية. ويمكن تشبيه هذه العملية بغليان الماء السائل، فحالما يتحول الماء إلى بخار، يتغير شكله الخارجى وسلوكه، مع بقاء الضغط ودرجة الحرارة ثابتة.

وبما أن انتقال الهيدروجين تدريجي، فمن الصعب تحديد نقاط التحول الحرجة. وهذه الحالة يسميها العلماء نظم ذات نقطة حرجة كامنة. يتحول الهيدروجين تدريجيا وباستمرار بين المرحلتين الجزيئية والذرية، متحولا من الحالة الغازية إلى حالة الغاز السائل، ومن ثم إلى سائل عازل وبعدها يتحول إلى سائل معدنى موصل

وهذا الاكتشاف يثبت نظريا الانتقال السلس والتدريجى بين الطبقات العازلة والموصلة فى الكواكب الغازية. كما توضح سبب تعارض نتائج العديد من التجارب التى يستخدم فيها الهيدروجين الكثيف.