Jupiter kavargó felhő teteje alatt a hidrogén közös elem nagyon furcsa állapotban létezik.
(Kép: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter az Ohio Állami Egyetemen asztrofizikus és a COSI tudományos központ vezető tudósa. Sutter a Ask a Spaceman és az Space Radio házigazdája, és az AstroTours-ot vezet világszerte. Sutter hozzátette ezt a cikket az Space.com szakértői hangjaihoz: Op-Ed & Insights.
Szilárd. Folyékony. Gáz. Azokat az anyagokat, amelyek normál, mindennapi világunkban körülvesznek minket, három ügyes táborra osztják. Melegítsen fel egy szilárd kocka vizet (más néven jég), és amikor egy bizonyos hőmérsékletet elér, a fázisok folyadékká alakulnak. Folyamatosan forgassa a hőt, és végül gáz: vízgőz lesz.
Minden elemnek és molekulanak megvan a saját "fázissémája", egy térképe annak, amellyel szembesülhet, ha adott hőmérsékletet és nyomást alkalmaz rá. A diagram minden elemnél egyedi, mivel az függ a pontos atomi / molekuláris elrendezéstől és attól, hogy milyen módon kölcsönhatásba lép különféle körülmények között, tehát a tudósok feladata, hogy ezeket a diagramokat nehéz kísérletek és gondos elmélet útján kibírják. [A 2017 legfurcább űrtörténete]
Amikor a hidrogénről van szó, általában egyáltalán nem találkozunk vele, kivéve akkor, ha az oxigént tartalmaz, hogy megismerjük a vizet. Még akkor is, ha magányos módon kapjuk meg, a szégyenlősége megakadályozza, hogy egyedül velünk interakcióba lépjen - diatómás molekula formájában, szinte mindig gáz formájában párosul. Ha csapdába csap be egy üvegbe, és lehúzza a hőmérsékletet 33 kelvinre (mínusz 400 fok vagy mínusz 240 Celsius fok), a hidrogén folyadékmá válik, és 14 K hőmérsékleten (mínusz 434 fok vagy mínusz 259 fok) szilárd lesz.
Azt gondolnád, hogy a hőmérsékleti skála ellentétes végén egy forró hidrogéngáz marad ... forró gáz. És ez igaz, mindaddig, amíg a nyomást alacsonyan tartják. De a magas hőmérséklet és a magas nyomás kombinációja érdekes magatartást eredményez.
Jovian mélyen merül
A Földön, amint láttuk, a hidrogén viselkedése egyszerű. A Jupiter azonban nem a Föld, és a légkör nagy sávjaiban és alatt, valamint a légkör kavargó viharaiban bőségesen megtalálható hidrogén a normál határain túlléphető.
A mélyen a bolygó látható felszíne alá eltemetve, a nyomás és a hőmérséklet drámai módon növekszik, és a gáznemű hidrogén lassan helyet ad egy szuperkritikus gáz-folyadék hibridrétegnek. Ezen szélsőséges körülmények miatt a hidrogén nem tud leülepedni felismerhető állapotba. Túl meleg folyadék maradni, de túl nagy nyomás alatt szabadon lebegni gázként - ez egy új anyagállapot.
Leereszkedni mélyebbre, és még idegebb lesz.
Még hibrid állapotában, egy vékony rétegben, közvetlenül a felhő teteje alatt, a hidrogén még mindig egy-egy-két kova diatómás molekulaként ugrál. De elegendő nyomás mellett (mondjuk, egymilliószor intenzívebb, mint a Föld tengerszint feletti légnyomás), még azok a testvéri kötelékek sem elég erősek, hogy ellenálljanak a túlnyomó tömörüléseknek, és bepattannak.
Az eredmény körülbelül 8000 mérföld (13 000 km) alatt a felhő teteje alatt a szabad hidrogénmagok kaotikus keveréke - amelyek csak egyetlen protonok - keverednek felszabadult elektronokkal. Az anyag visszatér egy folyékony fázissá, de mi teszi a hidrogént hidrogénné, ez most teljesen le van bontva alkotóelemeire. Amikor ez nagyon magas hőmérsékleten és alacsony nyomáson történik, plazmának nevezzük - ugyanaz a cucc, mint a nap nagy része vagy egy villám.
De a Jupiter mélyén a nyomás kényszeríti a hidrogént, hogy másképp viselkedjen, mint egy plazma. Ehelyett inkább olyan tulajdonságokkal rendelkezik, mint a fém tulajdonságai. Ezért folyékony fémes hidrogén.
A periódusos rendszerben szereplő elemek többsége fémek: Kemények és fényesek, és jó elektromos vezetőket képeznek. Az elemek ezeket a tulajdonságokat az elrendezés alapján kapják meg, amelyet normál hőmérsékleten és nyomáson magukkal készítenek: Összekapcsolódnak, hogy rácsot képezzenek, és mindegyik egy vagy több elektronot adományoz a közösségi edénybe. Ezek a disszociált elektronok szabadon mozognak, atomról atomra ugrálva, ahogy tetszik.
Ha vesz egy aranyrúdot és megolvasztja, akkor továbbra is megvan a fém minden elektron-megosztási előnye (kivéve a keménységet), tehát a "folyékony fém" nem olyan idegen fogalom. És néhány olyan elem, amely általában nem fémes, például a szén, bizonyos körülmények között vagy feltételek mellett megkaphatja ezeket a tulajdonságokat.
Tehát az első elpiruláskor a "fémhidrogén" ne legyen olyan furcsa ötlet: Csak egy nemfémes elem, amely magas hőmérsékleten és nyomáson fémként viselkedik. [Lab-made 'fémes hidrogén' forradalmasíthatja a rakétaüzemanyagot]
Egyszer egy degenerált, mindig egy degenerált
Mi a nagy zavar?
A nagy gond az, hogy a fémhidrogén nem tipikus fém. A kerti fajtákban a szabadon lebegő elektronok tengerébe ágyazott különleges ionrácsok vannak beágyazva. De a letisztított hidrogénatom csak egyetlen proton, és a proton semmit sem tehet rács kialakításához.
Amikor ráakad egy fémrúdra, megpróbálja egymáshoz közelebb szorítani az összekapcsoló ionokat, amelyeket abszolút gyűlölnek. Az elektrosztatikus taszítás biztosítja az összes támogatást, amelynek a fémnek erősnek kell lennie. De a protonok folyadékban szuszpendálódnak? Ennek sokkal könnyebbnek kellene lennie. Hogyan tudja a Jupiter belsejében lévő folyékony fémes hidrogén támogatni a fölötte lévõ atmoszféra összetörési tömegét?
A válasz a degenerációs nyomás, az anyag kvantummechanizmusának szélsőséges körülmények között. A kutatók azt gondolták, hogy a szélsőséges körülmények csak egzotikus, ultradenzív környezetben fordulnak elő, például a fehér törpék és a neutroncsillagok, de kiderül, hogy van egy példa a napfény kertjében. Még akkor is, ha az elektromágneses erők túlterheltek, az azonos részecskék, mint például az elektronok, csak annyira szorosan szoríthatók össze - megtagadják ugyanazon kvantummechanikai állapot megosztását.
Más szavakkal, az elektronok soha nem lesznek azonos energiaszintűek, ami azt jelenti, hogy egymás fölé párnázva soha nem fognak közelebb állni, még akkor sem, ha igazán keményen szorítasz.
A helyzet áttekintésének másik módja az úgynevezett Heisenbergi bizonytalanság elve: Ha megpróbálja rögzíteni az elektron helyzetét rányomva, annak sebessége nagyon nagy lehet, és ez nyomás-erőt eredményez, amely ellenáll a további szorításnak.
Tehát Jupiter belseje valóban furcsa - protonok és elektronok levesét, amelyet a Nap felszínénél magasabb hőmérsékletre hevítenek, egymilliószor erősebb nyomás érzi, mint a Földön, és arra kényszerítik, hogy felfedje valódi kvantumtípusát.
Tudjon meg többet, ha meghallgatja a "Mi a világ a fémes hidrogén?" Című epizódot. az Ask A Spaceman podcaston, amely elérhető az iTunesban és az interneten az askaspaceman.com oldalon. Köszönet Tom S.-nek, @Upguntha-nak, Andres C.-nek és Colin E.-nek a kérdéshez, amely a darabhoz vezetett! Tegye fel saját kérdését a Twitteren a #AskASpaceman segítségével vagy [email protected]/PaulMattSutter segítségével.
