Ispod Jupiterovog vrtlog oblaka, uobičajeni vodik postoji u vrlo čudnom stanju.
(Slika: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter je astrofizičar sa Sveučilišta Ohio State i glavni znanstvenik u znanstvenom centru COSI. Sutter je također domaćin časopisa Ask Spaceman i Space Radio i vodi AstroTours širom svijeta. Sutter je ovaj članak pridodao stručnim glasovima Space.com-a: Op-Ed & Insights.
Čvrsta. Tekućina. Plin. Materijali koji nas okružuju u našem uobičajenom, svakodnevnom svijetu podijeljeni su u tri uredna kampa. Zagrijte čvrstu kocku vode (aka led), a kad dostigne određenu temperaturu, faze pretvara u tekućinu. Nastavite dizati vrućinu i na kraju ćete dobiti plin: vodena para.
Svaki element i molekula imaju svoj "fazni dijagram", kartu onoga što biste trebali očekivati da naiđete ako na nju primijenite određenu temperaturu i pritisak. Dijagram je jedinstven za svaki element jer ovisi o preciznom rasporedu atoma / molekula i o načinu interakcije samog sebe u različitim uvjetima, tako da će znanstvenici morati truditi te dijagrame napornim eksperimentiranjem i pažljivom teorijom. [Najčudnije svemirske priče 2017.]
Kada je riječ o vodiku, obično ga uopće ne susrećemo, osim kad je napunjen kisikom za izradu vode poznatije. Čak i kad ga dobijemo usamljenim, njegova sramežljivost sprječava ga da komunicira sam sa nama - pari se kao dijatomska molekula, gotovo uvijek kao plin. Ako zarobite nešto u boci i povučete temperaturu do 33 kelvina (minus 400 stupnjeva Farenheita ili minus 240 stupnjeva Celzija), vodik postaje tekućina, a na 14 K (minus 434 stupnja F ili minus 259 stupnjeva C), postaje krutina.
Mislili biste da bi na suprotnom kraju temperaturne ljestvice vrući plin vodika ostao ... vrući plin. I to je istina, sve dok se pritisak drži niskim. Ali kombinacija visoke temperature i visokog tlaka dovodi do zanimljivih ponašanja.
Jovian duboki zaroni
Na Zemlji je, kao što smo vidjeli, ponašanje vodika ravno. Ali Jupiter nije Zemlja, a vodik pronađen u izobilju unutar i ispod velikih pojasa i vijugavih oluja njegove atmosfere može se gurnuti izvan svojih normalnih granica.
Ukopani duboko ispod vidljive površine planeta, pritisci i temperatura dramatično se povećavaju, a plinoviti vodik polako ustupa sloj nadkritičnog hibrida plina i tekućine. Zbog ovih ekstremnih uvjeta, vodik se ne može taložiti u prepoznatljivo stanje. Previše je vruće da ostane tekućina, ali pod prevelikim pritiskom da bi slobodno lebdio kao plin - novo je stanje materije.
Spustite se dublje i postaje još čudnije.
Čak i u svom hibridnom stanju, u tankom sloju odmah ispod vrhova oblaka, vodik još uvijek skače okolo kao dijatomska molekula dva za jednog. Ali pri dovoljnim pritiscima (recimo, milijun puta intenzivnijim od tlaka Zemlje na morskoj razini), čak ni one bratske veze nisu dovoljno jake da se odupru prekomjernoj kompresiji i puknu.
Rezultat, ispod otprilike 8.000 milja (13.000 km) pod oblačnim vrhovima, je kaotična mješavina slobodnih jezgri vodika - koji su samo pojedinačni protoni - isprepleteni s oslobođenim elektronima. Tvar se vraća u tekuću fazu, ali ono što čini vodikov vodik sada je potpuno rastavljeno na njegove sastavne dijelove. Kad se to dogodi pri vrlo visokim temperaturama i niskim pritiscima, to nazivamo plazmom - iste stvari kao i većina sunca ili gromobrana.
Ali u dubini Jupitera, pritisci prisiljavaju vodik da se ponaša mnogo drugačije od plazme. Umjesto toga, poprima svojstva sličnija onima metala. Otuda: tekući metalni vodik.
Većina elemenata na periodičnoj tablici su metali: Tvrdi su i sjajni, a čine dobre električne provodnike. Elementi dobivaju ta svojstva iz rasporeda koji sami prave pri normalnim temperaturama i pritiscima: Povezuju se tako da čine rešetku i svaki donira jedan ili više elektrona u lonac zajednice. Ti rastavljeni elektroni slobodno lutaju, skakući od atoma do atoma koliko hoće.
Ako uzmete šipku zlata i rastopite je, još uvijek imate sve prednosti dijeljenja metala od metala (osim tvrdoće), tako da "tekući metal" nije sve tako strani koncept. I neki elementi koji nisu normalno metalni, poput ugljika, mogu poprimiti ta svojstva pod određenim rasporedom ili uvjetima.
Dakle, isprva crvenilo, "metalni vodik", ne bi trebala biti toliko neobična ideja: To je samo nemetalni element koji se počinje ponašati kao metal pri visokim temperaturama i pritiscima. [Laboratorijski 'Metalni vodik' može revolucionirati raketno gorivo]
Jednom degenerirani, uvijek degenerirani
Što je velika buka?
Velika buka je što metalni vodik nije tipičan metal. Metali u vrtnoj raznolikosti imaju onu posebnu rešetku iona ugrađenih u more slobodno lebdećih elektrona. Ali srušeni atom vodika samo je jedan proton, i ništa ne može proton učiniti za izgradnju rešetke.
Kad se stisnete na metalnu šipku, pokušavate prisiliti međusobno međusobno povezane ione, što apsolutno mrze. Elektrostatičko odbijanje pruža svu podršku kojoj metal mora biti jak. Ali protoni suspendirani u tekućini? To bi trebalo biti puno lakše čučnjevima. Kako tekući metalni vodik unutar Jupitera može poduprijeti težinu tlačenja atmosfere iznad njega?
Odgovor je pritisak degeneracije, kvantna mehanička provjera materije u ekstremnim uvjetima. Istraživači su mislili da se ekstremni stanja mogu naći samo u egzotičnim, ultrazvučnim sredinama poput bijelih patuljaka i neutronskih zvijezda, ali ispada da imamo primjer upravo u našem solarnom dvorištu. Čak i kad su prevladane elektromagnetske sile, identične čestice poput elektrona mogu se tako čvrsto stisnuti zajedno - odbijaju dijeliti isto kvantno mehaničko stanje.
Drugim riječima, elektroni nikada neće dijeliti istu razinu energije, što znači da će se gomilati jedan preko drugog, nikada se neće približiti, čak i ako ih stisnete stvarno, jako teško.
Drugi način da se sagleda situacija je putem takozvanog Heisenbergovog principa neizvjesnosti: Ako pokušate dotjerati položaj elektrona pritiskom na njega, njegova brzina može postati vrlo velika, što rezultira pritiskom koji će odoljeti daljnjem stiskanju.
Dakle, unutrašnjost Jupitera doista je čudna - juha protona i elektrona, zagrijana na temperaturama višim od sunčeve površine, trpeći pritisak milijun puta jači od tlaka na Zemlji i prisiljena otkriti svoje prave kvantne naravi.
Saznajte više slušajući epizodu "Što je u svijetu metalni vodik?" na podcastu Ask A Spaceman, dostupan na iTunesu i na webu na askaspaceman.com. Hvala Tomu S., @Upguntha, Andresu C. i Colinu E. na pitanjima koja su dovela do ovog djela! Postavite svoje pitanje na Twitteru koristeći #AskASpaceman ili slijedeći [email protected]/PaulMattSutter.
