Испод Јупитеровог вртлог облака, уобичајени водоник у врло чудном стању.
(Слика: © Лелла Ерцег, Лицее Францаис де Торонто / НАСА / СвРИ / МССС)
Паул Суттер је астрофизичар са Државног универзитета у Охају и главни научник у научном центру ЦОСИ. Суттер је такође домаћин Аск а Спацеман и Спаце Радио и води АстроТоурс широм света. Суттер је овај чланак допринео стручним гласовима Спаце.цом-а: Оп-Ед & Инсигхтс.
Чврст. Течност. Гасни. Материјали који нас окружују у нашем нормалном, свакодневном свету подељени су у три уредна кампа. Загрејати чврсту коцку воде (ака лед), а кад достигне одређену температуру, фазе се претварају у течне. Наставите дизати врућину и на крају ћете имати гас: водена пара.
Сваки елемент и молекул имају сопствени "фазни дијаграм", мапу онога са чим бисте требали да наиђете ако на њега примените одређену температуру и притисак. Дијаграм је јединствен за сваки елемент, јер зависи од прецизног распореда атома / молекула и како узајамно делује у себи под различитим условима, тако да ће научници морати да испробају ове дијаграме напорним експериментисањем и пажљивом теоријом. [Најчудније свемирске приче 2017.]
Када је реч о водонику, обично га уопште не сусрећемо, осим када је препуно кисеоника да би вода постала познатија. Чак и када га добијемо усамљеним, његова срамежљивост спречава га да комуницира сам са нама - пари се као дијатомска молекула, готово увек као гас. Ако убаците нешто у боцу и повучете температуру до 33 келвина (минус 400 степени Фаренхеита или минус 240 степени Целзијуса), водоник постаје течност, а на 14 К (минус 434 степена Ф или минус 259 степени Ц), постаје чврст.
Мислили бисте да би на супротном крају температурне скале остао врући гас водоника ... врући гас. И то је тачно, све док је притисак низак. Али комбинација високе температуре и високог притиска доводи до занимљивих понашања.
Јовиан дубоки зарони
На Земљи, као што смо видели, понашање водоника је директно. Али Јупитер није Земља и водоник који се налази у изобиљу унутар и испод великих појаса и вијугавих олуја његове атмосфере може се гурнути ван својих нормалних граница.
Закопани дубоко испод видљиве површине планете, притисци и температура драматично расту, а гасовити водоник полако уступа слој надкритичног хибрида гас-течност. Због ових екстремних услова, водоник се не може пребацити у препознатљиво стање. Превише је вруће да остане течност, али под превеликим притиском да би слободно лебдио као гас - ново је стање материје.
Спустите се дубље и постаје још чудније.
Чак и у свом хибридном стању, у танком слоју одмах испод врхова облака, водоник још увек скаче као дијатомска молекула два за једног. Али при довољним притисцима (рецимо, милион пута интензивнијим од тлака Земље на нивоу мора), чак ни те братске везе нису довољно јаке да се одупру прекомерној компресији и пукну.
Резултат, испод отприлике 8.000 миља (13.000 км) испод облака, је хаотична мешавина слободних језгара водоника - која су само појединачни протони - испреплетена са ослобођеним електронима. Супстанца се враћа у течну фазу, али оно што чини водоник водоник је сада потпуно растављено у своје саставне делове. Када се то догоди на врло високим температурама и ниским притисцима, то називамо плазмом - исте ствари као и већина сунца или громобрана.
Али у дубини Јупитера, притисци приморавају водоник да се понаша знатно другачије од плазме. Уместо тога, он добија својства сличнија онима метала. Отуда: течни метални водоник.
Већина елемената на периодичној табели су метали: Тврди су и сјајни и чине добре електричне проводнике. Елементи добијају та својства из распореда који сами праве при нормалним температурама и притисцима: Повезују се тако да формирају решетку и сваки донира један или више електрона у лонац заједнице. Ови раздвојени електрони слободно лутају, скакући од атома до атома колико хоће.
Ако узмете шипку злата и истопите је, још увек имате све предности метала (електродитета), осим „тврдоће“, па „течни метал“ није све тако страни концепт. И неки елементи који нису нормално метални, попут угљеника, могу попримити та својства под одређеним распоредом или условима.
Дакле, у почетку црвенило, „метални водоник“ не би требало да буде толико чудна идеја: То је само неметални елемент који се почиње понашати као метал при високим температурама и притисцима. [Лабораторијски 'метални водоник' може револуционирати ракетно гориво]
Једном дегенерирани, увек дегенерирани
Шта је велика бука?
Велика бука је што метални водоник није типичан метал. Метали из баштенске сорте имају ону посебну решетку јона уграђених у море слободно лебдећих електрона. Али срушени атом водоника је само један протон и ништа што протони не може да направи за изградњу решетке.
Када се притиснете на металну шипку, покушавате да присилите јоне који се међусобно закључују, што апсолутно мрзе. Електростатичко одбијање пружа сву подршку којој метал треба да буде јак. Али протони суспендовани у течности? То би требало бити пуно лакше да се коцка. Како течни метални водоник унутар Јупитера може да подржи тежину дробљења атмосфере изнад њега?
Одговор је притисак дегенерације, квантна механичка претрес материје у екстремним условима. Истраживачи су сматрали да се услови могу наћи само у егзотичним, ултрадесним срединама попут белих патуљака и неутронских звезда, али испоставило се да имамо пример управо у нашем соларном дворишту. Чак и када су електромагнетне силе надјачане, идентичне честице попут електрона могу се само тако чврсто стиснути заједно - они одбијају да деле исто квантно механичко стање.
Другим речима, електрони никада неће делити исти ниво енергије, што значи да ће се гомилати један поред другог, никада се неће приближавати, чак и ако га стиснете заиста, јако.
Други начин да се сагледа ситуација је путем такозваног Хеисенберговог принципа неизвесности: Ако покушате да притиснете положај електрона притиском на њега, његова брзина може постати врло велика, што резултира притиском који ће одољети даљњем притиску.
Дакле, унутрашњост Јупитера је заиста чудна - супа протона и електрона, загрејана на температурама вишим од сунчеве површине, трпећи притиске милион пута јаче од оних на Земљи, и приморана да открије своје праве квантне природе.
Сазнајте више слушајући епизоду "Шта је у свету метални водоник?" у подкасту Аск А Спацеман, доступан на иТунес-у и на мрежи на аскаспацеман.цом. Хвала Том С., @Упгунтха, Андрес Ц. и Цолин Е. на питањима која су довела до овог дела! Поставите своје питање на Твиттеру користећи #АскАСпацеман или следећи Паул@ПаулМаттСуттерфацебоок.цом/ПаулМаттСуттер.
