Pod wirującymi szczytami chmur Jowisza wspólny pierwiastek wodór występuje w bardzo dziwnym stanie.
(Zdjęcie: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter jest astrofizykiem z Ohio State University i głównym naukowcem w centrum naukowym COSI. Sutter jest także gospodarzem Ask a Spaceman i Space Radio i prowadzi AstroTours na całym świecie. Sutter wniósł ten artykuł do Ekspertów Kosmicznych Space.com: Op-Ed i Insights.
Solidny. Ciekły. Gaz. Materiały, które otaczają nas w naszym normalnym, codziennym świecie, są podzielone na trzy zadbane obozy. Podgrzej stały sześcian wody (inaczej lód), a gdy osiągnie określoną temperaturę, zamienia fazy w ciecz. Kontynuuj podkręcanie ciepła, a ostatecznie będziesz mieć gaz: parę wodną.
Każdy pierwiastek i cząsteczka ma własny „diagram fazowy”, mapę tego, czego powinieneś się spodziewać, jeśli zastosujesz do niego określoną temperaturę i ciśnienie. Schemat jest unikalny dla każdego pierwiastka, ponieważ zależy od dokładnego układu atomu / molekuły i tego, jak oddziałuje ze sobą w różnych warunkach, więc to do naukowców należy dokuczanie tych diagramów poprzez żmudne eksperymenty i staranną teorię. [The Strangest Space Stories Of 2017]
Jeśli chodzi o wodór, zwykle go wcale nie spotykamy, z wyjątkiem gdy jest on połączony z tlenem, aby uzyskać bardziej znaną wodę. Nawet jeśli dostajemy go samotnie, jego nieśmiałość uniemożliwia mu interakcję z nami w pojedynkę - łączy się w parę jako cząsteczka dwuatomowa, prawie zawsze jako gaz. Jeśli złapiesz trochę w butelkę i obniżysz temperaturę do 33 stopni Kelvina (minus 400 stopni Fahrenheita lub minus 240 stopni Celsjusza), wodór stanie się cieczą, a przy 14 K (minus 434 stopni F lub minus 259 stopni C) staje się ciałem stałym.
Można by pomyśleć, że na drugim końcu skali temperatury gorący gaz wodoru pozostanie ... gorącym gazem. I to prawda, dopóki ciśnienie jest utrzymywane na niskim poziomie. Ale połączenie wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia prowadzi do kilku interesujących zachowań.
Głębokie nurkowania Jowisza
Na Ziemi, jak widzieliśmy, zachowanie wodoru jest proste. Ale Jowisz nie jest Ziemią, a wodór znajdowany w obfitości wewnątrz i pod wielkimi pasmami i wirującymi burzami jego atmosfery może zostać wypchnięty poza normalne granice.
Pochowane głęboko pod widoczną powierzchnią planety ciśnienie i temperatura gwałtownie rosną, a gazowy wodór powoli ustępuje warstwie nadkrytycznej hybrydy gaz-ciecz. Z powodu tych ekstremalnych warunków wodór nie może osiąść w rozpoznawalnym stanie. Jest za gorąco, aby pozostać płynnym, ale pod zbyt dużym ciśnieniem, aby swobodnie unosić się jak gaz - to nowy stan materii.
Zejdź głębiej, a zrobi się jeszcze dziwniej.
Nawet w stanie hybrydowym w cienkiej warstwie tuż pod szczytami chmur wodór wciąż odbija się jako cząsteczka dwuatomowa typu „dwa za jednego”. Ale przy wystarczającym ciśnieniu (powiedzmy, milion razy intensywniejszym niż ciśnienie powietrza na Ziemi na poziomie morza), nawet te braterskie więzi nie są wystarczająco silne, aby oprzeć się przytłaczającym uciskom i pękają.
Rezultatem, poniżej około 8 000 mil (13 000 km) pod szczytami chmur, jest chaotyczna mieszanka wolnych jąder wodoru - które są zaledwie pojedynczymi protonami - zmieszanymi z uwolnionymi elektronami. Substancja powraca do fazy ciekłej, ale to, co czyni wodór wodorem, jest teraz całkowicie rozdzielone na części składowe. Kiedy dzieje się tak przy bardzo wysokich temperaturach i niskich ciśnieniach, nazywamy to plazmą - to samo co masa Słońca lub błyskawica.
Ale w głębinach Jowisza ciśnienia zmuszają wodór do zachowywania się znacznie inaczej niż plazma. Zamiast tego nabiera właściwości bardziej podobnych do metalu. Stąd: ciekły wodór metaliczny.
Większość elementów układu okresowego to metale: są twarde i lśniące i stanowią dobre przewodniki elektryczne. Elementy uzyskują te właściwości z układu, który wykonują ze sobą w normalnych temperaturach i ciśnieniach: Łączą się, tworząc sieć, i każdy przekazuje jeden lub więcej elektronów do puli społeczności. Te zdysocjowane elektrony wędrują swobodnie, skacząc z atomu na atom, jak im się podoba.
Jeśli weźmiesz sztabkę złota i stopisz ją, nadal będziesz mieć wszystkie zalety metalu związane z dzieleniem elektronów (z wyjątkiem twardości), więc „ciekły metal” nie jest wcale obcy. Niektóre pierwiastki, które zwykle nie są metaliczne, takie jak węgiel, mogą przyjmować te właściwości w określonych warunkach lub warunkach.
Na pierwszy rzut oka „metaliczny wodór” nie powinien być tak dziwnym pomysłem: to po prostu element niemetaliczny, który zaczyna zachowywać się jak metal w wysokich temperaturach i ciśnieniach. [Lab-Made „Metallic Hydrogen” może zrewolucjonizować paliwo rakietowe]
Kiedyś zdegenerowany, zawsze zdegenerowany
O co tyle zamieszania?
Wielkim problemem jest to, że wodór metaliczny nie jest typowym metalem. Metale odmian ogrodowych mają tę specjalną sieć jonów osadzoną w morzu swobodnie unoszących się elektronów. Ale zredukowany atom wodoru jest tylko pojedynczym protonem i nic nie może zrobić, aby zbudować sieć.
Kiedy ściskasz pręt metalowy, próbujesz zbliżyć do siebie blokujące się jony, których absolutnie nienawidzą. Odpychanie elektrostatyczne zapewnia wszelkie wsparcie, którego metal musi być mocny. Ale protony zawieszone w płynie? To powinno być znacznie łatwiejsze do zgryzienia. Jak ciekły wodór metaliczny wewnątrz Jowisza może wytrzymać miażdżący ciężar atmosfery nad nim?
Odpowiedzią jest presja zwyrodnieniowa, kwantowe dziwactwo materii w ekstremalnych warunkach. Badacze sądzili, że warunki ekstremalne można znaleźć tylko w egzotycznych, bardzo gęstych środowiskach, takich jak białe karły i gwiazdy neutronowe, ale okazuje się, że mamy dobry przykład na naszym podwórku słonecznym. Nawet gdy siły elektromagnetyczne są przytłoczone, identyczne cząstki, takie jak elektrony, mogą być ściśnięte tak ściśle razem - nie chcą dzielić tego samego stanu mechaniki kwantowej.
Innymi słowy, elektrony nigdy nie będą miały tego samego poziomu energii, co oznacza, że będą się one gromadzić jeden na drugim, nigdy się nie zbliżając, nawet jeśli naprawdę mocno ściśniesz.
Innym sposobem spojrzenia na sytuację jest tak zwana zasada nieoznaczoności Heisenberga: jeśli spróbujesz ustalić pozycję elektronu, popychając go, jego prędkość może stać się bardzo duża, co spowoduje siłę nacisku, która jest odporna na dalsze ściskanie.
Tak więc wnętrze Jowisza jest naprawdę dziwne - zupa protonów i elektronów, podgrzana do temperatur wyższych niż temperatura powierzchni Słońca, poddawana presji milion razy silniejszej niż na Ziemi i zmuszona do ujawnienia swojej prawdziwej natury kwantowej.
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Czym na świecie jest wodór metaliczny?” w podcastu Ask A Spaceman, dostępnym w iTunes i na stronie internetowej askaspaceman.com. Dziękujemy Tomowi S., @Upguntha, Andresowi C. i Colinowi E. za pytania, które doprowadziły do powstania tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub pod adresem [email protected]/PaulMattSutter.
