Κάτω από τις στροβιλιζόμενες κορυφές του Δία, το κοινό στοιχείο υδρογόνο υπάρχει σε πολύ περίεργη κατάσταση.
(Εικόνα: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Ο Paul Sutter είναι αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο και επικεφαλής επιστήμονας στο επιστημονικό κέντρο COSI. Ο Sutter είναι επίσης οικοδεσπότης του Ask a Spaceman and Space Radio και ηγείται των AstroTours σε όλο τον κόσμο. Ο Sutter συνέβαλε αυτό το άρθρο στις εξειδικευμένες φωνές του Space.com: Op-Ed & Insights.
Στερεός. Υγρό. Αέριο. Τα υλικά που μας περιβάλλουν στον κανονικό, καθημερινό κόσμο χωρίζονται σε τρία τακτοποιημένα στρατόπεδα. Ζεσταίνετε έναν συμπαγή κύβο νερού (γνωστός και ως πάγος) και όταν φτάσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, αλλάζει τις φάσεις σε υγρό. Συνεχίστε να σβήνετε τη θερμότητα και τελικά θα έχετε ένα αέριο: υδρατμούς.
Κάθε στοιχείο και μόριο έχει το δικό του "διάγραμμα φάσεων", έναν χάρτη με αυτό που πρέπει να περιμένετε να συναντήσετε εάν εφαρμόσετε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση σε αυτό. Το διάγραμμα είναι μοναδικό για κάθε στοιχείο επειδή εξαρτάται από την ακριβή ατομική / μοριακή διάταξη και πώς αλληλεπιδρά με τον εαυτό του υπό διάφορες συνθήκες, οπότε εναπόκειται στους επιστήμονες να πειράξουν αυτά τα διαγράμματα μέσω σκληρού πειραματισμού και προσεκτικής θεωρίας. [Οι παράξενες διαστημικές ιστορίες του 2017]
Όταν πρόκειται για υδρογόνο, συνήθως δεν το αντιμετωπίζουμε καθόλου, εκτός από το γεγονός ότι έχει αναπτυχθεί με οξυγόνο για να κάνουμε το πιο οικείο νερό. Ακόμα και όταν το παίρνουμε με μοναχικό τρόπο, η ντροπή του το εμποδίζει να αλληλεπιδράσει μόνος μας - συνδυάζεται ως διατομικό μόριο, σχεδόν πάντα ως αέριο. Εάν παγιδεύσετε μερικά σε ένα μπουκάλι και τραβήξετε τη θερμοκρασία στους 33 kelvins (μείον 400 βαθμούς Φαρενάιτ ή μείον 240 βαθμούς Κελσίου), το υδρογόνο γίνεται υγρό και στους 14 Κ (μείον 434 βαθμοί Φ ή μείον 259 βαθμούς Γ), αυτό γίνεται ένα στερεό.
Θα νομίζατε ότι στο αντίθετο άκρο της κλίμακας θερμοκρασίας, ένα ζεστό αέριο υδρογόνο θα παρέμενε… ένα καυτό αέριο. Και αυτό ισχύει, εφ 'όσον η πίεση διατηρείται χαμηλή. Αλλά ο συνδυασμός της υψηλής θερμοκρασίας και της υψηλής πίεσης οδηγεί σε μερικές ενδιαφέρουσες συμπεριφορές.
Γιοβιανές βαθιές καταδύσεις
Στη Γη, όπως έχουμε δει, η συμπεριφορά του υδρογόνου είναι απλή. Αλλά ο Δίας δεν είναι Γη, και το υδρογόνο που βρίσκεται σε αφθονία μέσα και κάτω από τις μεγάλες μπάντες και τις στροβιλισμένες καταιγίδες της ατμόσφαιράς του μπορεί να ωθηθεί πέρα από τα κανονικά του όρια.
Θαμμένος βαθιά κάτω από την ορατή επιφάνεια του πλανήτη, οι πιέσεις και η θερμοκρασία αυξάνονται δραματικά και το αέριο υδρογόνο υποχωρεί αργά σε ένα στρώμα υπερκρίσιμου υβριδίου υγρού-υγρού. Λόγω αυτών των ακραίων συνθηκών, το υδρογόνο δεν μπορεί να κατακαθίσει σε μια αναγνωρίσιμη κατάσταση. Είναι πολύ ζεστό για να παραμείνει ένα υγρό, αλλά υπό υπερβολική πίεση για να επιπλέει ελεύθερα ως αέριο - είναι μια νέα κατάσταση της ύλης.
Κατεβείτε βαθύτερα, και γίνεται ακόμη πιο παράξενο.
Ακόμη και στην υβριδική του κατάσταση σε ένα λεπτό στρώμα ακριβώς κάτω από τις κορυφές των νεφών, το υδρογόνο εξακολουθεί να αναπηδά ως διατομικό μόριο δύο για ένα. Αλλά σε επαρκείς πιέσεις (ας πούμε, ένα εκατομμύριο φορές πιο έντονη από την ατμοσφαιρική πίεση της Γης στο επίπεδο της θάλασσας), ακόμη και αυτοί οι αδελφικοί δεσμοί δεν είναι αρκετά ισχυροί για να αντισταθούν στις συντριπτικές συμπιέσεις και ασφαλίζονται.
Το αποτέλεσμα, κάτω από περίπου 8.000 μίλια (13.000 χλμ.) Κάτω από τις κορυφές των νεφών, είναι ένα χαοτικό μείγμα ελεύθερων πυρήνων υδρογόνου - που είναι μόνο μεμονωμένα πρωτόνια - που συνδυάζονται με απελευθερωμένα ηλεκτρόνια. Η ουσία επανέρχεται σε υγρή φάση, αλλά αυτό που κάνει το υδρογόνο υδρογόνο είναι πλέον πλήρως αποσυνδεδεμένο στα συστατικά μέρη του. Όταν αυτό συμβαίνει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και χαμηλές πιέσεις, το ονομάζουμε πλάσμα - το ίδιο πράγμα με το μεγαλύτερο μέρος του ήλιου ή ένα κεραυνό.
Αλλά στα βάθη του Δία, οι πιέσεις αναγκάζουν το υδρογόνο να συμπεριφέρεται πολύ διαφορετικά από ένα πλάσμα. Αντ 'αυτού, παίρνει ιδιότητες που μοιάζουν με εκείνες ενός μετάλλου. Ως εκ τούτου: υγρό μεταλλικό υδρογόνο.
Τα περισσότερα από τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα είναι μέταλλα: Είναι σκληρά και γυαλιστερά και δημιουργούν καλούς ηλεκτρικούς αγωγούς. Τα στοιχεία παίρνουν αυτές τις ιδιότητες από τη διάταξη που κάνουν με τις ίδιες σε κανονικές θερμοκρασίες και πιέσεις: Συνδέονται για να σχηματίσουν ένα πλέγμα, και το καθένα δωρίζει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια στο δοχείο της κοινότητας. Αυτά τα διαχωρισμένα ηλεκτρόνια περιφέρονται ελεύθερα, μεταπηδώντας από άτομο σε άτομο όπως θέλουν.
Εάν πάρετε μια ράβδο χρυσού και το λιώσετε, εξακολουθείτε να έχετε όλα τα οφέλη κοινής χρήσης ηλεκτρονίων από ένα μέταλλο (εκτός από τη σκληρότητα), οπότε το "υγρό μέταλλο" δεν είναι τόσο ξένο. Και ορισμένα στοιχεία που δεν είναι συνήθως μεταλλικά, όπως ο άνθρακας, μπορούν να προσλάβουν αυτές τις ιδιότητες υπό ορισμένες ρυθμίσεις ή συνθήκες.
Έτσι, στην πρώτη κοκκινίλα, το "μεταλλικό υδρογόνο" δεν πρέπει να είναι τόσο περίεργη ιδέα: Είναι απλώς ένα μη μεταλλικό στοιχείο που αρχίζει να συμπεριφέρεται ως μέταλλο σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. [Εργαστήριο «Μεταλλικό υδρογόνο» θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στα καύσιμα πυραύλων]
Μόλις εκφυλιστεί, πάντα εκφυλίζεται
Ποια είναι η μεγάλη αναστάτωση;
Η μεγάλη αναστάτωση είναι ότι το μεταλλικό υδρογόνο δεν είναι ένα τυπικό μέταλλο. Τα μέταλλα ποικιλίας κήπου έχουν αυτό το ειδικό πλέγμα ιόντων που είναι ενσωματωμένο σε μια θάλασσα ελεύθερων ηλεκτρονίων. Όμως ένα απογυμνωμένο άτομο υδρογόνου είναι μόνο ένα πρωτόνιο και δεν υπάρχει τίποτα που μπορεί να κάνει ένα πρωτόνιο για να χτίσει ένα πλέγμα.
Όταν πιέζετε μια μεταλλική ράβδο, προσπαθείτε να πιέσετε τα αλληλοσυνδεόμενα ιόντα πιο κοντά μεταξύ τους, τα οποία μισούν απολύτως. Η ηλεκτροστατική απώθηση παρέχει όλη τη στήριξη που πρέπει να είναι ισχυρό ένα μέταλλο. Αλλά τα πρωτόνια αιωρούνται σε υγρό; Αυτό πρέπει να είναι πολύ πιο εύκολο να σκουριάσετε. Πώς μπορεί το υγρό μεταλλικό υδρογόνο μέσα στον Δία να υποστηρίξει το συντριπτικό βάρος της ατμόσφαιρας πάνω από αυτό;
Η απάντηση είναι η εκφυλιστική πίεση, ένα κβαντικό μηχανικό quirk της ύλης υπό ακραίες συνθήκες. Οι ερευνητές πίστευαν ότι οι ακραίες συνθήκες μπορούν να βρεθούν μόνο σε εξωτικά περιβάλλοντα υπερβολικής πυκνότητας όπως λευκοί νάνοι και αστέρια νετρονίων, αλλά αποδεικνύεται ότι έχουμε ένα παράδειγμα ακριβώς στην ηλιακή αυλή μας. Ακόμα και όταν οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις κατακλύζονται, πανομοιότυπα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια μπορούν να συμπιεστούν τόσο σφιχτά μαζί - αρνούνται να μοιραστούν την ίδια κβαντική μηχανική κατάσταση.
Με άλλα λόγια, τα ηλεκτρόνια δεν θα μοιραστούν ποτέ το ίδιο επίπεδο ενέργειας, πράγμα που σημαίνει ότι θα συνεχίσουν να συσσωρεύονται το ένα πάνω στο άλλο, να μην πλησιάζουν ποτέ, ακόμα κι αν συμπιέζετε πραγματικά, πολύ σκληρά.
Ένας άλλος τρόπος για να δείτε την κατάσταση είναι μέσω της λεγόμενης αρχής της αβεβαιότητας Heisenberg: Εάν προσπαθήσετε να καθορίσετε τη θέση ενός ηλεκτρονίου πιέζοντάς το, η ταχύτητά του μπορεί να γίνει πολύ μεγάλη, με αποτέλεσμα μια δύναμη πίεσης που αντιστέκεται στην περαιτέρω συμπίεση.
Έτσι, το εσωτερικό του Δία είναι πράγματι περίεργο - μια σούπα πρωτονίων και ηλεκτρονίων, που θερμαίνεται σε θερμοκρασίες υψηλότερες από εκείνες της επιφάνειας του ήλιου, υποφέρει πιέσεις εκατομμύριο φορές ισχυρότερες από αυτές της Γης και αναγκάστηκε να αποκαλύψει τις πραγματικές κβαντικές φύσεις τους.
Μάθετε περισσότερα ακούγοντας το επεισόδιο "Τι στον κόσμο είναι το μεταλλικό υδρογόνο;" στο podcast Ask A Spaceman, διαθέσιμο στο iTunes και στον ιστό στη διεύθυνση askaspaceman.com. Χάρη στους Tom S., @Upguntha, Andres C. και Colin E. για τις ερωτήσεις που οδήγησαν σε αυτό το κομμάτι! Κάντε τη δική σας ερώτηση στο Twitter χρησιμοποιώντας το #AskASpaceman ή ακολουθώντας το [email protected]/PaulMattSutter.
