Нижче закрученого хмари Юпітера спільний елемент водню існує в дуже дивному стані.
(Зображення: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Пол Саттер - астрофізик Державного університету штату Огайо і головний науковий співробітник наукового центру COSI. Саттер також приймає запитання у космонавта та космічного радіо, а також веде AstroTours по всьому світу. Саттер додав цю статтю до голосів експертів Space.com: Op-Ed & Insights.
Суцільний. Рідина. Газ. Матеріали, які оточують нас у нашому звичайному, повсякденному світі, поділяються на три акуратні табори. Нагрівається твердий куб води (він же льоду), і коли він досягає певної температури, він перетворює фази на рідину. Продовжуйте викручувати тепло, і з часом у вас з’явиться газ: водяна пара.
Кожен елемент і молекула мають свою "фазову діаграму", карту того, що слід очікувати, якщо ви застосуєте до нього конкретну температуру і тиск. Діаграма є унікальною для кожного елемента, оскільки вона залежить від точного розташування атома / молекули та того, як вона взаємодіє сама з собою в різних умовах, тому вчені повинні дражнити ці діаграми за допомогою важких експериментів та ретельної теорії. [Найстрашніші космічні історії 2017 року]
Що стосується водню, ми зазвичай взагалі не стикаємося з ним, за винятком випадків, коли в ньому є кисень, щоб зробити більш звичною воду. Навіть коли ми отримуємо його самотнім, його сором'язливість заважає йому взаємодіяти поодинці з нами - вона поєднується як діатомічна молекула, майже завжди як газ. Якщо ви потрапили в пляшку і витягнете температуру до 33 кельвінів (мінус 400 градусів за Фаренгейтом, або мінус 240 градусів Цельсія), водень стає рідиною, а при температурі 14 К (мінус 434 градуси F або мінус 259 градусів С) це стає твердим.
Ви думаєте, що на протилежному кінці температурної шкали гарячий газ водню залишиться ... гарячим газом. І це правда, поки тиск утримується низьким. Але поєднання високої температури та високого тиску призводить до цікавих поведінок.
Jovian глибокі занурення
На Землі, як ми бачили, поведінка водню відверта. Але Юпітер - це не Земля, і водень, який знайдеться в достатку в межах і під великими смугами і закрученими бурями його атмосфери, може бути висунутий за межі своєї норми.
Похований глибоко під видимою поверхнею планети, тиск та температура різко зростають, а газоподібний водень повільно поступається шару надкритичного газогідкого гібриду. Через ці екстремальні умови водень не може осісти у впізнаваний стан. Занадто гаряче, щоб залишатися рідиною, але під занадто великим тиском вільно плавати, як газ - це новий стан речовини.
Спускайтеся глибше, і стає ще незнайоміше.
Навіть у своєму гібридному стані в тонкому шарі прямо під вершинами хмари водень все ще підстрибує навколо як двоатомна молекула. Але при достатньому тиску (скажімо, в мільйон разів інтенсивніше, ніж тиск повітря на Землі на рівні моря), навіть ті братські зв’язки недостатньо міцні, щоб протистояти величезним стисканням, і вони розриваються.
Результат, що знаходиться приблизно під 8000 миль (13000 км) під вершинами хмари, - хаотична суміш вільних ядер водню - це лише окремі протони - переплетені з вивільненими електронами. Речовина повертається до рідкої фази, але те, що робить водень водню, тепер повністю розчленоване на його складові частини. Коли це відбувається при дуже високій температурі та низькому тиску, ми називаємо це плазмою - тією ж штукою, що і основна маса сонця чи блискавки.
Але в надрах Юпітера тиск змушує водень поводитися набагато інакше, ніж плазма. Натомість він набуває властивості, більш схожі на властивості металу. Звідси: рідкий металевий водень.
Більшість елементів періодичної таблиці - це метали: вони тверді і блискучі, і вони служать хорошими електричними провідниками. Елементи отримують ці властивості з розташування, яке вони створюють для себе при нормальних температурах і тиску: вони з'єднуються, утворюючи решітку, і кожен дарує один або більше електронів у громадський горщик. Ці роз'єднані електрони вільно бродять, перескакуючи від атома до атома, як їм заманеться.
Якщо ви візьмете брусок золота і розплавите його, у вас все ще є всі переваги металевого розподілу електронів (крім твердості), тому "рідкий метал" - це не все, що чужа концепція. І деякі елементи, як правило, не металеві, як вуглець, можуть набувати цих властивостей за певних домовленостей чи умов.
Отже, спочатку рум'яна "металевий водень" не повинна бути такою дивною ідеєю: це просто неметалічний елемент, який починає поводитися як метал при високих температурах і тиску. [Лабораторія "Металевий водень" може змінити ракетне паливо]
Колись вироджений, завжди вироджений
Яка велика метушня?
Велика метушня полягає в тому, що металевий водень не є типовим металом. Метали садового сорту мають таку особливу решітку іонів, вбудовану в море вільно плаваючих електронів. Але збитий атом водню - це лише один протон, і протон нічого не може зробити для побудови решітки.
Коли ти стискаєш металеву планку, ти намагаєшся змусити з’єднуються іони ближче один до одного, що вони абсолютно ненавидять. Електростатичне відштовхування забезпечує всю підтримку, металевій необхідній бути міцною. Але протони, суспендовані в рідині? Це повинно бути набагато простіше кашпо. Як рідкий металевий водень всередині Юпітера може підтримувати вагу, що роздрібнюється над ним?
Відповідь - тиск виродження, квантова механічна химерність речовини в екстремальних умовах. Дослідники вважають, що екстремальні умови можуть бути виявлені лише в екзотичних, ультрагустих середовищах, таких як білі карлики та нейтронні зірки, але виявляється, що ми маємо приклад саме у своєму сонячному дворі. Навіть коли електромагнітні сили переповнені, ідентичні частинки, як електрони, можна тільки так сильно стиснути разом - вони відмовляються поділяти той же квантовий механічний стан.
Іншими словами, електрони ніколи не поділять один і той же енергетичний рівень, це означає, що вони будуть тримати купувати один на одного, ніколи не наближаючись, навіть якщо стискати дійсно, дуже сильно.
Інший спосіб поглянути на ситуацію - через так званий принцип непевності Гейзенберга: Якщо спробувати виправити положення електрона, натискаючи на нього, його швидкість може стати дуже великою, що призводить до сили тиску, яка чинить опір подальшому стисканню.
Тож внутрішність Юпітера насправді дивна - суп протонів і електронів, нагрітий до температури, вищої за поверхню Сонця, зазнаючи тиску в мільйон разів сильніше, ніж на Землі, і змушений розкрити свої справжні квантові натури.
Дізнайтеся більше, прослухавши епізод "Що у світі металевий водень?" в подкасті Ask A Spaceman, доступному в iTunes та в Інтернеті на веб-сайті askaspaceman.com. Дякуємо Тому С., @Upguntha, Andres C. та Colin E. за питання, які спричинили цей твір! Задайте власне запитання у Twitter за допомогою #AskASpaceman або за адресою [email protected]/PaulMattSutter.
