Wnętrza dwóch gazowych gigantów, Jowisza i Saturna, są dość ekstremalnymi miejscami. Zwykle, gdy myślimy o ciekłym metalu, mamy przemyślenia na temat ciekłej rtęci w temperaturze pokojowej (lub ponownego złożenia ciekłego metalu T-1000 granego przez Roberta Patricka w filmie Terminator 2), rzadko uważamy dwa z najliczniejszych pierwiastków we Wszechświecie za ciekły metal w określonych warunkach. A jednak tak twierdzą zespół fizyków z UC Berkley; hel i wodór mogą się ze sobą mieszać, wymuszone przez ogromne ciśnienia w pobliżu rdzeni Jowisza i Saturna, tworząc ciekły stop metalu, prawdopodobnie zmieniając nasze postrzeganie tego, co kryje się pod tymi burzami Jowisza…
Zwykle fizycy i chemicy planetarni skupiają większość swojej uwagi na cechach najliczniejszego pierwiastka we Wszechświecie: wodoru. Rzeczywiście, ponad 90% zarówno Jowisza, jak i Saturna to także wodór. Ale w atmosferze gazowego giganta nie ma prostego atomu wodoru, to zaskakująco złożony dwuatomowy gazowy wodór (tj. Wodór cząsteczkowy, H2). Tak więc, aby zrozumieć dynamikę i naturę wnętrz najbardziej masywnych planet w naszym Układzie Słonecznym, badacze z UC Berkley i Londynu szukają znacznie prostszego elementu; drugi najbardziej rozpowszechniony gaz we Wszechświecie: hel.
Raymond Jeanloz, profesor UC Berkeley, wraz ze swoim zespołem odkrył interesującą cechę helu przy ekstremalnych ciśnieniach, jakie można wywierać w pobliżu rdzeni Jowisza i Saturna. Po zmieszaniu z wodorem hel tworzy metaliczny ciekły stop. Ten stan materii był uważany za rzadki, ale nowe odkrycia sugerują, że stopy ciekłego metalu z helem mogą być bardziej powszechne niż wcześniej sądziliśmy.
“Jest to przełom w naszym rozumieniu materiałów i jest to ważne, ponieważ aby zrozumieć długoterminową ewolucję planet, musimy dowiedzieć się więcej o ich właściwościach w głębi. Odkrycie jest również interesujące z punktu widzenia zrozumienia, dlaczego materiały są takie, jakie są, i co decyduje o ich stabilności oraz ich właściwościach fizycznych i chemicznych. ” - Raymond Jeanloz.
Na przykład Jowisz wywiera ogromny nacisk na gazy w swojej atmosferze. Ze względu na dużą masę można spodziewać się ciśnienia do 70 milionów atmosfer ziemskich (nie, to nie wystarczy, aby rozpocząć syntezę jądrową…), tworząc temperatury rdzenia od 10 000 do 20 000 K (to 2-4 razy wyższe niż Fotosfera Słońca!). Tak więc hel został wybrany jako element do badania w tych ekstremalnych warunkach, gaz, który stanowi 5-10% obserwowalnej materii Wszechświata.
Wykorzystując mechanikę kwantową do obliczenia zachowania helu przy różnych ekstremalnych ciśnieniach i temperaturach, naukowcy odkryli, że hel zamieni się w ciekły metal pod bardzo wysokim ciśnieniem. Zwykle hel uważany jest za bezbarwny i przezroczysty gaz. W warunkach atmosfery ziemskiej jest to prawdą. Jednak zmienia się w zupełnie inne stworzenie w 70 milionach ziemskich atmosfer. Zamiast gazu izolacyjnego zamienia się w przewodzącą ciekłą substancję metalową, bardziej jak rtęć, „tylko mniej odblaskowe”- dodał Jeanloz.
Wynik ten jest zaskakujący, ponieważ zawsze uważano, że ogromne ciśnienia utrudniają, aby pierwiastki takie jak wodór i hel stały się metaliczne. Wynika to z faktu, że wysokie temperatury w miejscach takich jak rdzeń Jowisza powodują wzrost wibracji atomów, a tym samym odchylają ścieżki elektronów próbujących przepłynąć w materiale. Jeśli nie ma przepływu elektronów, materiał staje się izolatorem i nie można go nazwać „metalem”.
Jednak te nowe odkrycia sugerują, że wibracje atomowe przy tego rodzaju ciśnieniach faktycznie mają przeciwintuicyjny efekt tworzenia nowych ścieżek dla elektronów. Nagle ciekły hel staje się przewodzący, co oznacza, że jest metalem.
Innym zwrotem jest myśl, że ciekły metal helowy może łatwo mieszać się z wodorem. Fizyka planetarna mówi nam, że nie jest to możliwe, wodór i hel oddzielają się jak olej i woda w ciałach gazowych gigantów. Ale zespół Jeanloz stwierdził, że te dwa pierwiastki mogą się ze sobą mieszać, tworząc ciekły stop metalu. Jeśli tak ma być, należy dokonać poważnego przemyślenia na temat ewolucji planet.
Zarówno Jowisz, jak i Saturn emitują więcej energii niż zapewnia Słońce, co oznacza, że obie planety wytwarzają własną energię. Akceptowanym mechanizmem tego jest kondensacja kropel helu, które spadają z górnych warstw atmosfery planet do jądra, uwalniając potencjał grawitacyjny, gdy hel spada jako „deszcz”. Jeśli jednak okaże się, że badania te miały miejsce, wnętrze gazowego giganta prawdopodobnie będzie o wiele bardziej jednorodne, niż wcześniej sądzono, co oznacza, że nie będzie żadnych kropel helu.
Kolejnym zadaniem Jeanloz i jego zespołu jest znalezienie alternatywnego źródła energii wytwarzającego ciepło w rdzeniach Jowisza i Saturna (więc nie zaczynaj jeszcze pisać podręczników…)
Źródło: UC Berkeley
