Zem Jupitera virpuļojošo mākoņu virsotņu kopējais elements ūdeņradis pastāv ļoti dīvainā stāvoklī.
(Attēls: © Lella Erceg, Licee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Pols Sutters ir Ohaio štata universitātes astrofiziķis un galvenais zinātnieks COSI zinātnes centrā. Sutters ir arī Ask Spaceman un Space Radio uzņēmējs un ved AstroTours visā pasaulē. Sutters pievienoja šo rakstu Space.com ekspertu balsīm: Op-Ed & Insights.
Ciets. Šķidrums. Gāze. Materiāli, kas mūs ieskauj parastajā, ikdienas pasaulē, ir sadalīti trīs kārtīgās nometnēs. Uzkarsē cietu ūdens kubu (pazīstams arī kā ledus), un, sasniedzot noteiktu temperatūru, tas mainās fāzes uz šķidrumu. Turpiniet karsēt, un galu galā jums būs gāze: ūdens tvaiki.
Katram elementam un molekulai ir sava “fāžu diagramma”, karte ar to, kas jums vajadzētu sagaidīt, ja tam pieliekat noteiktu temperatūru un spiedienu. Diagramma ir unikāla katram elementam, jo tā ir atkarīga no precīza atomu / molekulu izvietojuma un no tā, kā tā mijiedarbojas ar sevi dažādos apstākļos, tāpēc zinātnieku pienākums ir ķircināt šīs diagrammas, veicot smagus eksperimentus un rūpīgu teoriju. [2017. gada dīvainākie kosmosa stāsti]
Runājot par ūdeņradi, mēs parasti to nemaz nesaskaram, izņemot gadījumus, kad tas ir uzbudināts ar skābekli, lai ūdens kļūtu pazīstamāks. Pat tad, kad mēs to iegūstam vientuļi, tā kautrība neļauj tai mijiedarboties tikai ar mums - tā pārī veidojas kā diatomīta molekula, gandrīz vienmēr kā gāze. Ja jūs ieslodzāt dažus pudelē un atvelciet temperatūru līdz 33 kelviniem (mīnus 400 grādi pēc Fārenheita vai mīnus 240 grādi pēc Celsija), ūdeņradis kļūst par šķidrumu, un 14 K (mīnus 434 grādi F vai mīnus 259 grādi C) tas kļūst ciets.
Jūs domājat, ka pretējā temperatūras skalas galā karstā ūdeņraža gāze paliks… karsta gāze. Un tā ir taisnība, ja vien spiediens tiek uzturēts zems. Bet augstas temperatūras un augsta spiediena kombinācija rada dažas interesantas izturēšanās.
Jovian dziļi ienirst
Kā mēs redzējām, uz Zemes ūdeņraža izturēšanās ir tieša. Bet Jupiters nav Zeme, un ūdeņradis, kas pārpilnībā atrodams tās atmosfērā un zem tās, un atmosfēras virpuļojošās vētras, var tikt izspiests ārpus tās normālām robežām.
Apglabāts dziļi zem planētas redzamās virsmas, spiediens un temperatūra dramatiski palielinās, un gāzveida ūdeņradis lēnām dod ceļu superkritiskā gāzes-šķidruma hibrīda slānim. Šo ārkārtējo apstākļu dēļ ūdeņradis nevar nostāties atpazīstamā stāvoklī. Ir pārāk karsts, lai paliktu šķidrums, bet zem pārāk liela spiediena, lai brīvi peldētu kā gāze - tas ir jauns matērijas stāvoklis.
Nolaidieties dziļāk, un tas kļūst vēl svešāks.
Pat hibrīda stāvoklī plānā kārtā tieši zem mākoņa galotnēm ūdeņradis joprojām riņķo kā diatomiskas molekulas divas pret vienu. Bet ar pietiekamu spiedienu (teiksim, miljons reižu intensīvāku nekā Zemes gaisa spiediens jūras līmenī) pat šīs brālīgās saites nav pietiekami spēcīgas, lai pretotos milzīgajām kompresijām, un tās uzspīd.
Rezultāts zem aptuveni 8000 jūdžu (13 000 km) zem mākoņu galotnēm ir haotisks brīvo ūdeņraža kodola sajaukums - kas ir tikai atsevišķi protoni -, kas sajaukti ar atbrīvotajiem elektroniem. Viela atgriežas šķidrā fāzē, bet tas, kas padara ūdeņradi ūdeņradī, tagad ir pilnībā sadalīts tā sastāvdaļās. Kad tas notiek ļoti augstā temperatūrā un zemā spiedienā, mēs to saucam par plazmu - tādu pašu lietu kā lielāko saules daļu vai zibens skrūvi.
Bet Jupitera dziļumā spiedieni piespiež ūdeņradi rīkoties daudz savādāk nekā plazmā. Tā vietā tas iegūst īpašības, kas ir līdzīgākas metāla īpašībām. Tādējādi: šķidrs metālisks ūdeņradis.
Lielākā daļa periodiskās tabulas elementu ir metāli: Tie ir cieti un spīdīgi, un tiem ir labi elektrības vadītāji. Elementi iegūst šīs īpašības no izkārtojuma, ko viņi paši veido normālā temperatūrā un spiedienā: Tie savienojas, veidojot režģi, un katrs ziedo vienu vai vairākus elektronus kopienas katlam. Šie atdalītie elektroni brīvi klīst, lēkājot no atoma uz atomu, kā vien vēlas.
Ja jūs paņemat zelta stieni un izkausējat to, jums joprojām ir visas metāla dalīšanas priekšrocības (izņemot cietību), tāpēc "šķidrais metāls" nav tik svešs jēdziens. Un daži elementi, kas parasti nav metāliski, piemēram, ogleklis, noteiktos apstākļos vai apstākļos var iegūt šīs īpašības.
Tātad, sākumā nosarkstot, “metāliskajam ūdeņradim” nevajadzētu būt tik dīvainai idejai: Tas ir tikai nemetālisks elements, kas augstā temperatūrā un spiedienā sāk izturēties kā metāls. [Labi izgatavots 'metālisks ūdeņradis' varētu mainīt raķešu degvielu]
Vienreiz deģenerāts, vienmēr deģenerāts
Kāds ir lielais satraukums?
Lielais satraukums ir tāds, ka metāliskais ūdeņradis nav tipisks metāls. Dārza šķirņu metāliem ir īpašs jonu režģis, kas iestrādāts brīvi peldošu elektronu jūrā. Bet atdalīts ūdeņraža atoms ir tikai viens protons, un protona veidošanā nekas nav iespējams.
Piespiežot metāla stieni, jūs mēģināt tuvināt savstarpēji savienotos jonus, kurus viņi absolūti ienīst. Elektrostatiskā atgrūšanās nodrošina visu atbalstu, kam metālam jābūt stipram. Bet vai protoni ir suspendēti šķidrumā? Tam vajadzētu būt daudz vienkāršākam. Kā šķidrais metāliskais ūdeņradis Jupitera iekšpusē var uzturēt atmosfēras saspiešanas svaru virs tā?
Atbilde ir deģenerācijas spiediens, kvantu mehānisks matērijas ekstrēmos apstākļos. Pētnieki domāja, ka apstākļi, kas ārkārtīgi varētu būt sastopami tikai eksotiskā, ļoti blīvā vidē, piemēram, baltajos punduros un neitronu zvaigznēs, taču izrādās, ka mums ir piemērs tieši mūsu saules sētā. Pat ja elektromagnētiskie spēki ir satriekti, identiskas daļiņas, piemēram, elektronus, var saspiest tikai tik cieši kopā - tās atsakās dalīties vienā un tajā pašā kvantu mehāniskajā stāvoklī.
Citiem vārdiem sakot, elektroniem nekad nebūs vienāds enerģijas līmenis, kas nozīmē, ka viņi sakrausies viens otram virsū, nekad netuvinoties, pat ja jūs saspiedat patiešām, tiešām smagi.
Vēl viens veids, kā aplūkot situāciju, ir, izmantojot tā dēvēto Heisenberga nenoteiktības principu: Ja mēģināt noteikt elektrona stāvokli, piespiežot tam, tā ātrums var kļūt ļoti liels, kā rezultātā rodas spiediena spēks, kas pretojas turpmākai saspiešanai.
Tātad Jupitera interjers patiešām ir dīvains - protonu un elektronu zupa, kas tiek uzkarsēta līdz temperatūrai, kas ir augstāka par saules virsmas temperatūru, ciešanas rada miljons reizes spēcīgāku spiedienu nekā uz Zemes un ir spiesta atklāt viņu patieso kvantu dabu.
Uzziniet vairāk, klausoties epizodi "Kas pasaulē ir metāliskais ūdeņradis?" Podcast apraidē Ask A Spaceman, kas pieejama iTunes un tīmeklī vietnē askaspaceman.com. Paldies Tomam S., @Upguntha, Andresam C. un Kolinam E. par jautājumiem, kas noveda pie šī skaņdarba! Uzdodiet savu jautājumu čivināt, izmantojot #AskASpaceman vai sekojot [email protected]/PaulMattSutter.
