Jupiteri tiirlevate pilvepealsete all on ühiselement vesinik väga kummalises olekus.
(Pilt: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter on Ohio Riikliku Ülikooli astrofüüsik ja teaduskeskuse COSI juhtivteadur. Sutter on ka Ask Spacemani ja kosmoseraadio host ning ta juhib AstroToursi kogu maailmas. Sutter esitas selle artikli Space.comi veebisaidile Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Tahke. Vedelik. Gaas. Materjalid, mis ümbritsevad meid tavalises, igapäevases maailmas, jagunevad kolmeks kenaks leeriks. Kuumutage tahke veekuup (ehk jää) ja teatud temperatuurini jõudes muutub see faasideks vedelikuks. Jätkake kuumuse väntamist ja lõpuks on teil gaasi: veeaur.
Igal elemendil ja molekulil on oma "faasiskeem", kaart sellest, mida peaksite ootama, kui sellele rakendate kindlat temperatuuri ja rõhku. Diagramm on iga elemendi jaoks ainulaadne, kuna see sõltub täpsest aatomi / molekulaarsest paigutusest ja sellest, kuidas see erinevatel tingimustel iseendaga suhtleb, seega on teadlaste ülesanne neid diagramme vaevarikka katsetamise ja hoolika teooria abil välja kiskuda. [2017. aasta kummalisemad kosmoselood]
Vesiniku osas ei puutu me sellega tavaliselt kokku, välja arvatud siis, kui vesinik on hapniku abil tuttavama vee moodustamiseks. Isegi kui me saame selle üksildaseks, takistab selle häbelikkus tal ainuüksi meiega suhtlemist - see moodustub paaridena diatomilise molekulina, peaaegu alati gaasina. Kui püüate mõned pudelisse kinni ja tõmbate temperatuuri alla 33 kelvini (miinus 400 kraadi Fahrenheiti ehk miinus 240 kraadi Celsiuse järgi), muutub vesinik vedelaks ja temperatuuril 14 K (miinus 434 kraadi F või miinus 259 kraadi C) muutub tahkeks.
Võite arvata, et temperatuuriskaala vastupidises otsas püsib kuum vesiniku gaas ... kuum gaas. Ja see on tõsi, kui rõhku hoitakse madalal. Kuid kõrge temperatuuri ja kõrgrõhu kombinatsioon põhjustab huvitavat käitumist.
Jovian sügavalt sukeldub
Nagu me nägime, on Maa peal vesiniku käitumine sirgjooneline. Kuid Jupiter ei ole Maa ja vesinikku, mida leidub ohtralt atmosfääri suurtes ribades ja all ja nende atmosfääri keeriste tormide sees, võib suruda üle normaalsete piiride.
Maetud sügavale planeedi nähtava pinna alla, tõusevad rõhud ja temperatuur dramaatiliselt ning gaasiline vesinik annab aeglaselt teed ülekriitilise gaasi-vedeliku hübriidi kihti. Nendest ekstreemsetest tingimustest tulenevalt ei saa vesinik asuda tuvastatavasse olekusse. Vedelaks püsimiseks on liiga kuum, kuid liiga suure rõhu all, et gaasina vabalt hõljuda - see on uus asja olek.
Laskuge sügavamale ja see muutub veelgi võõramaks.
Isegi hübriidses olekus õhukeses kihis, otse pilvepealsete all, põrkub vesinik ümber diatomiidimolekulina kaks-ühe jaoks. Kuid piisava rõhu korral (näiteks miljon korda intensiivsem kui Maa õhurõhk merepinnal) pole isegi need vennalikud sidemed piisavalt tugevad, et vastu panna ülekaalukatele kokkusurutustele, ja need klõpsuvad.
Tulemuseks on pilve tipude all umbes 8000 miili (13 000 km) all kaootiline segu vabadest vesiniku tuumadest - mis on vaid üksikud prootonid -, mis on segatud vabanenud elektronidega. Aine taastub vedelaks faasiks, kuid see, mis muudab vesiniku vesiniks, on nüüd täielikult lahustunud selle komponentideks. Kui see juhtub väga kõrgetel temperatuuridel ja madalatel rõhkudel, siis kutsume seda plasmaks - sama kraam nagu suurem osa päikesest või välk.
Kuid Jupiteri sügavuses sunnivad rõhud vesinikku käituma palju erinevalt kui plasma. Selle asemel omandavad nad metalli omadustega sarnasemad omadused. Seega: vedel metalliline vesinik.
Enamik perioodilise tabeli elemente on metallid: need on kõvad ja läikivad ning tagavad head elektrijuhid. Elemendid omandavad need omadused paigutusest, mille nad teevad ise normaalsetel temperatuuridel ja rõhul: Need ühendavad omavahel võre ja igaüks annetab ühenduse potti ühe või mitu elektroni. Need dissotsieerunud elektronid hõljuvad vabalt, hüpates aatomist aatomisse, nagu nad soovivad.
Kui võtate kuldplaadi ja sulatate selle, on teil ikkagi kõik metalli elektronide jagamise eelised (välja arvatud kõvadus), nii et "vedelmetall" pole sugugi nii võõras mõiste. Ja mõned elemendid, mis pole tavaliselt metallilised, näiteks süsinik, võivad teatud omaduste või tingimuste korral omandada need omadused.
Niisiis, esimesel põsepuna ei tohiks "metalliline vesinik" olla nii kummaline idee: see on lihtsalt mittemetalliline element, mis kõrgel temperatuuril ja rõhul hakkab metallina käituma. [Lab-made 'metalliline vesinik' võib muuta raketikütuse revolutsiooniks]
Kord degenereerunud, alati degenereerunud
Milline suur kära on?
Suur mure on see, et metalliline vesinik pole tüüpiline metall. Aiasordi metallidel on ioonide spetsiaalne võre, mis on sulandunud vabalt ujuvate elektronide merre. Kuid eemaldatud vesinikuaatom on vaid üks prooton ja võre ehitamiseks ei saa prooton midagi teha.
Metallvardale pigistades proovite sundida omavahel ühendatud ioone üksteisele lähemale, mida nad absoluutselt vihkavad. Elektrostaatiline tõrjumine annab kogu tuge, mida metall peab olema tugev. Kuid prootonid on vedelikus suspendeeritud? Sellega peaks olema palju lihtsam raputada. Kuidas saab Jupiteri sees olev vedel metalliline vesinik toetada selle kohal oleva atmosfääri purustuskaalu?
Vastus on degeneratsioonisurve, aine kvantmehaaniline pööristus ekstreemsetes tingimustes. Teadlased arvasid, et ekstreemseid olukordi võib leida ainult eksootilistest, ülitihedatest keskkondadest, nagu valged kääbused ja neutrontähed, kuid selgub, et meil on näide otse meie päikese tagaaias. Isegi kui elektromagnetilised jõud on üle koormatud, saab identseid osakesi nagu elektronid pigistada ainult nii tihedalt kokku - nad keelduvad jagamast sama kvantmehaanilist olekut.
Teisisõnu, elektronid ei jaga kunagi sama energiataset, mis tähendab, et nad jätkavad üksteise otsa kuhjumist, lähenemata kunagi, isegi kui te pigistate tõesti väga tugevalt.
Teine võimalus olukorda vaadata on niinimetatud Heisenbergi määramatuse põhimõtte kaudu: Kui proovite elektroni asukohta sellele surudes kindlaks määrata, võib selle kiirus muutuda väga suureks, mille tulemuseks on survejõud, mis peab vastu edasist pigistamist.
Nii et Jupiteri sisemus on tõepoolest kummaline - prootonite ja elektronide supp, mida kuumutatakse päikese pinna temperatuurist kõrgemale ja mis kannatab miljon korda tugevama rõhu all kui Maa peal ja on sunnitud paljastama oma tõelise kvantloomuse.
Lisateave, kuulates episoodi "Mis maailmas on metalliline vesinik?" taskuhäälingus Ask A Spaceman, mis on saadaval iTunesis ja veebis askaspaceman.com. Tänu Tom S.-le, @Upguntha'le, Andres C.-le ja Colin E.-le küsimuste eest, mis selle tüki juurde viisid! Esitage Twitteris oma küsimus, kasutades lehte #AskASpaceman või jälgides [email protected]/PaulMattSutter.
