Sub vârfurile de nori învolburate ale lui Jupiter, elementul comun de hidrogen există într-o stare foarte ciudată.
(Imagine: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter este un astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio și omul de știință al Centrului științific COSI. Sutter este, de asemenea, gazda de la Ask a Spaceman și Radio Space și conduce AstroTours în întreaga lume. Sutter a contribuit cu acest articol la Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Solid. Lichid. Gaz. Materialele care ne înconjoară în lumea noastră normală, de zi cu zi, sunt împărțite în trei tabere îngrijite. Încălziți un cub solid de apă (aka gheață), iar când atinge o anumită temperatură, schimbă fazele într-un lichid. Continuați să blocați căldura și, în cele din urmă, veți avea un gaz: vaporii de apă.
Fiecare element și moleculă are propria sa „diagramă de fază”, o hartă a ceea ce ar trebui să vă așteptați să întâlniți dacă îi aplicați o temperatură și o presiune specifică. Diagrama este unică pentru fiecare element, deoarece depinde de aranjarea atomică / moleculară precisă și de modul în care interacționează cu ea însăși în diverse condiții, așa că este de competența oamenilor de știință să-și asume aceste diagrame printr-o experimentare dificilă și o teorie atentă. [Cele mai ciudate povești spațiale din 2017]
Când vine vorba de hidrogen, de obicei nu îl întâlnim deloc, cu excepția cazului în care este crescut cu oxigen pentru a face apa mai familiară. Chiar și atunci când îl obținem singur, timiditatea îl împiedică să interacționeze cu noi singuri - se împerechează ca o moleculă diatomică, aproape întotdeauna ca un gaz. Dacă capturați unii într-o sticlă și trageți temperatura în jos până la 33 de kelvin (minus 400 de grade Fahrenheit, sau minus 240 de grade Celsius), hidrogenul devine un lichid, iar la 14 K (minus 434 grade F sau minus 259 grade C), acesta devine un solid.
Ați crede că la capătul opus al scării temperaturii, un gaz fierbinte de hidrogen ar rămâne ... un gaz fierbinte. Și asta este adevărat, atât timp cât presiunea este menținută scăzută. Dar combinația de temperatură ridicată și presiune ridicată duce la anumite comportamente interesante.
Jovian se scufundă adânc
Pe Pământ, așa cum am văzut, comportamentul hidrogenului este simplu. Dar Jupiter nu este Pământ, iar hidrogenul găsit în abundență în interiorul și sub marile benzi și furtuni învolburate ale atmosferei sale poate fi împins dincolo de limitele sale normale.
Îngropate adânc sub suprafața vizibilă a planetei, presiunile și temperatura cresc dramatic, iar hidrogenul gazos cedează încet un strat de hibrid supercritic gaz-lichid. Datorită acestor condiții extreme, hidrogenul nu se poate stabili într-o stare de recunoscut. Este prea cald să rămâneți un lichid, dar sub prea multă presiune pentru a pluti liber ca un gaz - este o nouă stare a materiei.
Coborâți mai adânc și devine și mai ciudat.
Chiar și în starea sa hibridă aflată într-un strat subțire chiar sub vârfurile norului, hidrogenul continuă să răsună ca o moleculă diatomică pentru două. Dar la presiuni suficiente (să zicem, un milion de ori mai intens decât presiunea aerului Pământului la nivelul mării), chiar și acele legături frățești nu sunt suficient de puternice pentru a rezista compresiunilor copleșitoare și se prind.
Rezultatul, situat sub 13.000 km (sub 8.000 km) sub vârfurile norului, este un amestec haotic de nuclee libere de hidrogen - care sunt doar protoni unici - împletite cu electroni eliberați. Substanța revine la o fază lichidă, dar ceea ce face hidrogenul hidrogen este acum complet dezasociat în părțile sale componente. Când acest lucru se întâmplă la temperaturi foarte ridicate și la presiuni scăzute, numim asta o plasmă - aceleași lucruri ca cea mai mare parte a soarelui sau un fulger.
Dar în adâncurile lui Jupiter, presiunile forțează hidrogenul să se comporte mult diferit decât o plasmă. În schimb, ea preia proprietăți mai asemănătoare cu cele ale unui metal. De aici: hidrogen metalic lichid.
Cele mai multe dintre elementele de pe tabelul periodic sunt metale: sunt dure și strălucitoare și asigură conductoare electrice bune. Elementele obțin acele proprietăți din aranjamentul pe care îl fac cu ei înșiși la temperaturi și presiuni normale: Se leagă pentru a forma o zăbrele și fiecare donează unul sau mai mulți electroni vasului comunitar. Acești electroni disociați se plimbă liber, trecând din atom în atom după bunul plac.
Dacă luați o bară de aur și o topiți, mai aveți toate avantajele de partajare a electronilor unui metal (cu excepția durității), deci „metalul lichid” nu este un concept atât de străin. Și unele elemente care nu sunt în mod normal metalice, cum ar fi carbonul, pot prelua aceste proprietăți în anumite aranjamente sau condiții.
Deci, la început, „hidrogenul metalic” nu ar trebui să fie o idee atât de ciudată: este doar un element nemetalic care începe să se comporte ca un metal la temperaturi și presiuni ridicate. [Hidrogenul metalic fabricat de laborator ar putea revoluționa combustibilul rachetelor]
Odată degenerat, întotdeauna degenerat
Care este cea mai mare tampenie?
Marea nebunie este că hidrogenul metalic nu este un metal tipic. Metalele din soiul de grădină au această rețea specială de ioni încorporate într-o mare de electroni plutitori liberi. Dar un atom de hidrogen dezbrăcat este doar un singur proton și nu este nimic ce poate face un proton pentru construirea unei zăbrele.
Când stoarceți pe o bară de metal, încercați să forțați ionii care se întrepătrund mai aproape între ei, pe care îi urăsc absolut. Repulsia electrostatică oferă tot sprijinul de care un metal trebuie să fie puternic. Dar protonii în suspensie într-un fluid? Asta ar trebui să fie mult mai ușor de ghemuit. Cum poate hidrogenul metalic lichid din Jupiter să suporte greutatea zdrobitoare a atmosferei de deasupra acesteia?
Răspunsul este presiunea de degenerare, o cură mecanică cuantică a materiei în condiții extreme. Cercetătorii au considerat că condițiile extreme ar putea fi găsite doar în medii exotice, ultradense, precum piticele albe și stelele cu neutroni, dar se dovedește că avem un exemplu chiar în curtea noastră solară. Chiar și atunci când forțele electromagnetice sunt copleșite, particule identice precum electronii pot fi strânse doar atât de strâns între ele - refuză să împartă aceeași stare mecanică cuantică.
Cu alte cuvinte, electronii nu vor împărtăși niciodată același nivel de energie, ceea ce înseamnă că vor continua să se strângă unul peste altul, nu se vor apropia niciodată, chiar dacă stoarceți cu adevărat, cu adevărat greu.
Un alt mod de a privi situația este prin așa-numitul principiu de incertitudine Heisenberg: Dacă încercați să fixați poziția unui electron apăsând pe el, viteza acestuia poate deveni foarte mare, rezultând o forță de presiune care rezistă în continuare la stoarcere.
Așadar, interiorul lui Jupiter este într-adevăr ciudat - o supă de protoni și electroni, încălzită la temperaturi mai mari decât cea a suprafeței soarelui, suferind presiuni de un milion de ori mai puternice decât cele de pe Pământ și obligate să își dezvăluie adevăratele naturi cuantice.
Aflați mai multe ascultând episodul „Ce este în lume hidrogenul metalic?” pe podcast-ul Ask A Spaceman, disponibil pe iTunes și pe web la askaspaceman.com. Mulțumesc Tom S., @Upguntha, Andres C. și Colin E. pentru întrebările care au dus la această piesă! Puneți-vă propria întrebare pe Twitter folosind #AskASpaceman sau urmând [email protected]/PaulMattSutter.
