AI utiliza para mostrar cómo el hidrógeno se convierte en un metal dentro de los planetas gigantes

Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, IBM Research y EPFL, aprendizaje automático utilizan para imitar las interacciones entre átomos de hidrógeno con el fin de superar el tamaño y las limitaciones de escala de tiempo de incluso los más potentes superordenadores. Ellos encontraron que en lugar de sucediendo como una súbita, o de primer orden, de transición, los cambios de hidrógeno de una manera suave y gradual. Los resultados se presentan en la revista Nature.

El hidrógeno, que consiste en un protón y un electrón, es a la vez el elemento más abundante más simple y en el universo. Es el componente dominante del interior de los planetas gigantes de nuestro sistema solar, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, así como exoplanetas que orbitan otras estrellas.

En las superficies de los planetas gigantes, el hidrógeno sigue siendo un gas molecular. Mover más profundamente en el interior de los planetas gigantes sin embargo, la presión es superior a millones de atmósferas normales. Bajo esta compresión extrema, hidrógeno experimenta una transición de fase: los enlaces covalentes dentro de las moléculas de hidrógeno se rompen, y el gas se convierte en un metal que conduce la electricidad.

"La existencia de hidrógeno metálico se teorizó hace un siglo, pero lo que no hemos conocido es cómo se produce este proceso, debido a las dificultades para recrear las condiciones de presión extrema del interior de un planeta gigante en un entorno de laboratorio, y la enorme complejidades de predecir el comportamiento de los sistemas de hidrógeno grandes ", dijo el autor principal Dr Bingqing Cheng del Laboratorio Cavendish de Cambridge.

Los experimentadores han intentado investigar hidrógeno densa utilizando una celda de yunque de diamante, en la que dos diamantes se aplican a alta presión a una muestra confinado. Aunque el diamante es la sustancia más dura en la Tierra, el dispositivo fallará bajo presión extrema y las altas temperaturas, sobre todo cuando están en contacto con hidrógeno, en contra de la afirmación de que un diamante es para siempre. Esto hace que los experimentos a la vez difícil y costoso.

Los estudios teóricos también son un reto: aunque el movimiento de los átomos de hidrógeno puede ser resuelto usando ecuaciones basadas en la mecánica cuántica, la potencia de cálculo necesaria para calcular el comportamiento de sistemas con más de unos pocos miles de átomos por más de unos pocos nanosegundos excede la capacidad de la y superordenadores más rápidos más grandes del mundo.

Se supone comúnmente que la transición de densa de hidrógeno es de primer orden, que se acompaña de cambios abruptos en todas las propiedades físicas. Un ejemplo común de una transición de fase de primer orden está hirviendo el agua líquida: una vez que el líquido se convierte en vapor, su apariencia y comportamiento completamente cambian a pesar del hecho de que la temperatura y la presión se mantienen iguales.

En el estudio teórico actual, Cheng y sus colegas utilizaron máquina de aprendizaje para imitar las interacciones entre átomos de hidrógeno, con el fin de superar las limitaciones de los cálculos de mecánica cuántica directa.

"Hemos llegado a una conclusión sorprendente y encontramos evidencia de una continua molecular para la transición atómica de hidrógeno en el líquido denso, en lugar de uno de primer orden", dijo Cheng, quien también es investigador junior en el Trinity College.

La transición es suave debido a que el asociado 'punto crítico' está oculta. Los puntos críticos son omnipresentes en todas las transiciones de fase entre los fluidos: todas las sustancias que pueden existir en dos fases tienen puntos críticos. Un sistema con un punto crítico expuesta, como el que se para el vapor y el agua líquida, tiene fases claramente distintas. Sin embargo, el fluido de hidrógeno denso, con el punto crítico oculto, puede transformar gradual y continua entre la molecular y las fases atómicas. Además, este punto crítico oculta también induce otros fenómenos inusuales, incluyendo la densidad y la maxima capacidad de calor.

El hallazgo de la transición continua proporciona una nueva manera de interpretar el cuerpo contradiciendo de experimentos sobre densa de hidrógeno. También implica una transición suave entre aislante y capas metálicas en planetas de gas gigantes. El estudio no sería posible sin la combinación de aprendizaje automático, la mecánica cuántica y la mecánica estadística. Sin lugar a dudas, este enfoque va a descubrir ideas más físicos sobre los sistemas de hidrógeno en el futuro. Como paso siguiente, los investigadores tienen como objetivo dar respuesta a las muchas dudas acerca del diagrama de fase sólida de densa de hidrógeno.

fuente: University of Cambridge. "AI used to show how hydrogen becomes a metal inside giant planets." ScienceDaily. ScienceDaily, 9 September 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200909114858.htm>.