Под въртеливия облак на Юпитер общият елемент водород съществува в много странно състояние.
(Изображение: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Пол Сътър е астрофизик в Държавния университет в Охайо и главен учен в научния център COSI. Sutter също е домакин на Ask a Spaceman и Space Radio и води AstroTours по целия свят. Sutter допринесе тази статия за експертните гласове на Space.com: Op-Ed & Insights.
Solid. Liquid. Газ. Материалите, които ни заобикалят в нашия нормален, ежедневен свят, са разделени на три спретнати лагера. Загрейте твърд куб от вода (известен още като лед) и когато достигне определена температура, той превръща фазите в течност. Продължавайте да въртите топлината и в крайна сметка ще имате газ: водна пара.
Всеки елемент и молекула има своя собствена "фазова диаграма", карта на това, което трябва да очаквате да срещнете, ако приложите определена температура и налягане към нея. Диаграмата е уникална за всеки елемент, тъй като зависи от точното разположение на атома / молекулата и как тя взаимодейства със себе си при различни условия, така че учените трябва да разкъсват тези диаграми чрез усилени експерименти и внимателна теория. [Най-странните космически истории от 2017 г.]
Що се отнася до водорода, обикновено изобщо не го срещаме, освен когато е снабден с кислород, за да направи по-познатата вода. Дори когато го получим самотно, неговата срамежливост му пречи да взаимодейства сам с нас - той се свързва като диатомична молекула, почти винаги като газ. Ако хванете малко в бутилка и издърпате температурата надолу до 33 келвини (минус 400 градуса по Фаренхайт, или минус 240 градуса по Целзий), водородът става течност и при 14 К (минус 434 градуса F или минус 259 градуса С), става твърдо.
Бихте си помислили, че в противоположния край на температурната скала горещ газ от водород ще остане ... горещ газ. И това е вярно, стига налягането да се поддържа ниско. Но комбинацията от висока температура и високо налягане води до някои интересни поведения.
Джовиан дълбоки гмуркания
На Земята, както видяхме, поведението на водорода е ясно. Но Юпитер не е Земята и водородът, открит в изобилие във и под големите ивици и вихрените бури на атмосферата му, може да бъде изтласкан отвъд нормалните си граници.
Заровен дълбоко под видимата повърхност на планетата, налягането и температурата се покачват драстично, а газообразният водород бавно отстъпва на слой свръхкритичен хибрид газ-течност. Поради тези екстремни условия водородът не може да се установи в разпознаваемо състояние. Прекалено горещо е да остане течност, но под прекалено голям натиск, за да плава свободно като газ - това е ново състояние на материята.
Спуснете се по-дълбоко и става още по-странно.
Дори в хибридното си състояние в тънък слой точно под върховете на облака, водородът все още подскача като двуатомна молекула два за един. Но при достатъчно налягане (да речем, милион пъти по-интензивно от въздушното налягане на Земята на морско равнище), дори тези братски връзки не са достатъчно силни, за да устоят на непреодолимите компресии, и те щракат.
Резултатът, под около 8 000 мили (13 000 км) под облачните върхове, е хаотична смес от свободни водородни ядра - които са само единични протони - смесени с освободени електрони. Веществото се връща в течна фаза, но това, което прави водородният водород, вече е напълно разделено на съставните му части. Когато това се случи при много високи температури и ниски налягания, ние наричаме това плазма - същите неща като по-голямата част от слънцето или мълния.
Но в дълбините на Юпитер налягането принуждава водорода да се държи много по-различно от плазмата. Вместо това той придобива свойства, по-близки до тези на метал. Следователно: течен метален водород.
Повечето от елементите на периодичната таблица са метали: Те са твърди и лъскави и създават добри електрически проводници. Елементите получават тези свойства от подреждането, което правят със себе си при нормални температури и налягания: Те се свързват, за да образуват решетка, и всеки дарява един или повече електрони в общия съд. Тези разединени електрони се въртят свободно, скачайки от атом на атом, както им е удобно.
Ако вземете златна лента и я разтопите, все още имате всички предимства за споделяне на електрон от метал (с изключение на твърдостта), така че "течният метал" не е всичко, което е чуждо понятие. И някои елементи, които обикновено не са метални, като въглерод, могат да придобият тези свойства при определени условия или условия.
Така че, в началото руж, "метален водород" не трябва да бъде толкова странна идея: Това е просто неметален елемент, който започва да се държи като метал при високи температури и налягане. [Лаборатория „Метален водород“ може да революционизира ракетно гориво]
Веднъж изродена, винаги изродена
Какъв е големият шум?
Големият шум е, че металическият водород не е типичен метал. Металите в градинския сорт имат тази специална решетка от йони, вградени в море от свободно плаващи електрони. Но откъснатият водороден атом е само един протон и няма какво протон да направи, за да изгради решетка.
Когато се притискате към метална пръчка, вие се опитвате да принудите блокиращите йони да се приближат по-близо, което те абсолютно мразят. Електростатичното отблъскване осигурява цялата опора, която един метал трябва да бъде здрава. Но протоните, суспендирани в течност? Това би трябвало да е много по-лесно да клякате. Как може течният метален водород вътре в Юпитер да поддържа смазващото тегло на атмосферата над него?
Отговорът е дегенеративно налягане, квантова механична измислица на материята при екстремни условия. Изследователите смятали, че условия могат да бъдат открити изключително много в екзотични, ултра плътни среди като бели джуджета и неутронни звезди, но се оказва, че имаме пример точно в нашия слънчев двор. Дори когато електромагнитните сили са затрупани, еднакви частици като електрони могат да бъдат притиснати толкова плътно заедно - те отказват да споделят същото квантово механично състояние.
С други думи, електроните никога няма да споделят едно и също енергийно ниво, което означава, че ще продължат да се трупат един върху друг, никога да не се приближават, дори ако стиснете наистина, наистина силно.
Друг начин за разглеждане на ситуацията е чрез така наречения принцип на несигурността на Хайзенберг: Ако се опитате да определите позицията на електрон, като натиснете върху него, неговата скорост може да стане много голяма, което води до сила на натиск, която издържа на по-нататъшно притискане.
Така че вътрешността на Юпитер наистина е странна - супа от протони и електрони, нагрята до температури по-високи от тази на слънчевата повърхност, изпитваща натиск милион пъти по-силна от тази на Земята и принудена да разкрие истинските си квантови натури.
Научете повече, като слушате епизода "Какво в света е метален водород?" в подкаста Ask A Spaceman, достъпен в iTunes и в мрежата на askaspaceman.com. Благодаря на Том С., @Upguntha, Andres C. и Colin E. за въпросите, довели до това парче! Задайте собствения си въпрос в Twitter, като използвате #AskASpaceman или като следвате [email protected]/PaulMattSutter.
