Žemiau Jupiterio besisukančių debesų viršūnių bendras vandenilio elementas egzistuoja labai keistoje būsenoje.
(Vaizdas: © Lella Erceg, „Lycee Francais de Toronto“ / NASA / SwRI / MSSS)
Paulius Sutteris yra Ohajo valstijos universiteto astrofizikas ir vyriausiasis mokslininkas COSI mokslo centre. „Sutter“ taip pat yra „Ask a Spaceman“ ir „Space Radio“ šeimininkas ir veda „AstroTours“ visame pasaulyje. Sutteris pridėjo šį straipsnį „Space.com“ tinklalapyje „Expert Voices: Op-Ed & Insights“.
Kieta. Skystas. Dujos. Medžiagos, kurios supa mus įprastame, kasdieniame pasaulyje, yra padalintos į tris tvarkingas stovyklas. Įkaitinkite kietą vandens kubą (dar žinomą kaip ledas) ir, pasiekus tam tikrą temperatūrą, jis pasikeičia į skystį. Nuolat kraukite šilumą ir galiausiai turėsite dujų: vandens garus.
Kiekvienas elementas ir molekulė turi savo „fazių diagramą“, žemėlapį su tuo, ko turėtumėte tikėtis susidūrę su tam tikra temperatūra ir slėgiu. Diagrama yra unikali kiekvienam elementui, nes ji priklauso nuo tikslaus atominio / molekulinio išdėstymo ir nuo to, kaip ji sąveikauja su savimi įvairiomis sąlygomis, todėl mokslininkams tenka erzinti šias diagramas atliekant sunkų eksperimentą ir kruopščią teoriją. [Keisčiausios 2017 m. Kosmoso istorijos]
Kalbant apie vandenilį, mes su juo paprastai nesusiduriame, išskyrus tuos atvejus, kai jame yra deguonies, kad vanduo būtų labiau pažįstamas. Net kai mes jį gauname vieniši, jo drovumas neleidžia bendrauti vien su mumis - jis poruojasi kaip diatominė molekulė, beveik visada kaip dujos. Įstrigę butelyje ir tempdami žemyn iki 33 kelvinų (minus 400 laipsnių pagal Fahrenheit arba minus 240 laipsnių Celsijaus), vandenilis tampa skysčiu, o esant 14 K (minus 434 laipsnių F arba minus 259 laipsnių C) jis tampa tvirta.
Jūs manote, kad priešingame temperatūros skalės gale karštos vandenilio dujos liks ... karštos dujos. Ir tai tiesa, tol, kol slėgis nėra žemas. Tačiau aukštos temperatūros ir aukšto slėgio derinys lemia įdomų elgesį.
Jovianas giliai neria
Žemėje, kaip mes matėme, vandenilio elgesys yra paprastas. Bet Jupiteris nėra žemė, o vandenilio, kurio gausu didžiosiose juostose ir po jomis, ir banguojančių audrų atmosferoje, gali būti perduota už įprastų ribų.
Palaidotas giliai po matomu planetos paviršiumi, slėgis ir temperatūra smarkiai pakyla, o dujinis vandenilis lėtai užleidžia vietą superkritinio dujų ir skysčio hibrido sluoksniui. Dėl šių ekstremalių sąlygų vandenilis negali nusistovėti atpažįstamoje būsenoje. Per karšta likti skysčiui, tačiau esant per dideliam slėgiui laisvai plūduriuoti kaip dujoms - tai nauja materijos būsena.
Nusileisk giliau, ir darosi dar keisčiau.
Net savo hibridinėje būsenoje plonu sluoksniu, tiesiai po debesies viršūne, vandenilis vis dar šokinėja kaip diatomės „du už vieną“ molekulė. Bet esant pakankamam slėgiui (tarkime, milijoną kartų stipresniam nei žemės oro slėgis jūros lygyje), net tie broliškos jungtys nėra pakankamai stiprūs, kad atsispirtų didžiuliams suspaudimams, ir jie užsiblokuoja.
Rezultatas yra maždaug 8000 mylių (13 000 km) po debesies viršūnėmis. Tai chaotiškas laisvųjų vandenilio branduolių, kurie yra tik atskiri protonai, mišinys su išlaisvintais elektronais. Medžiaga grįžta į skystą fazę, tačiau tai, kas lemia vandenilio vandenilį, dabar yra visiškai atskirta į jo sudedamąsias dalis. Kai tai atsitinka labai aukštoje temperatūroje ir esant žemam slėgiui, mes tai vadiname plazma - tokia pat medžiaga kaip didžioji saulės dalis ar žaibolaidis.
Tačiau Jupiterio gilumoje slėgis verčia vandenilį elgtis daug kitaip nei plazmoje. Vietoj to, jis įgauna savybes, panašesnes į metalo savybes. Taigi: skystas metalinis vandenilis.
Dauguma periodinės lentelės elementų yra metalai: Jie kieti ir blizgūs bei pasižymi gerais elektros laidininkais. Elementai įgyja tas savybes dėl išdėstymo, kurį jie sukuria normalioje temperatūroje ir slėgyje: Jie susiformuoja, kad sudarytų grotelę, ir kiekvienas aukoja po vieną ar daugiau elektronų į bendruomenės puodą. Šie atsiriboję elektronai laisvai klaidžioja, šokinėdami iš atomo į atomą, kaip nori.
Jei paimsite aukso juostą ir ją išlydysite, jūs vis tiek turėsite visus metalo dalijimosi elektronų privalumus (išskyrus kietumą), taigi „skystas metalas“ nėra tokia svetima sąvoka. Ir kai kurie elementai, kurie paprastai nėra metaliniai, pavyzdžiui, anglis, gali įgyti tas savybes tam tikromis priemonėmis ar sąlygomis.
Taigi, iš pradžių skaistalams „metalinis vandenilis“ neturėtų būti tokia keista mintis: tai tiesiog nemetalinis elementas, kuris aukštoje temperatūroje ir slėgyje pradeda elgtis kaip metalas. [Lab pagamintas 'metalinis vandenilis' galėtų pakeisti raketų kurą]
Kartą išsigimęs, visada išsigimęs
Koks didelis šurmulys?
Didelis rūpestis yra tas, kad metalinis vandenilis nėra tipiškas metalas. Sodo veislių metalai turi tą ypatingą jonų gardelę, įterptą į laisvai plūduriuojančių elektronų jūrą. Bet vandenilio atomas, išardytas žemyn, yra tik vienas protonas, ir protonas nieko negali padaryti, kad sukurtų grotelę.
Spaudžiant ant metalinio strypo, jūs bandote priversti blokuojančius jonus arčiau vienas kito, kurio jie visiškai nekenčia. Elektrostatinė atstūmė suteikia visą atramą, kurią metalas turi būti stiprus. Bet skystyje suspenduoti protonai? Tai turėtų būti žymiai lengviau suplanuota. Kaip skystas metalinis vandenilis Jupiterio viduje gali išlaikyti virš jo esančios atmosferos smulkinamąjį svorį?
Atsakymas yra degeneracijos slėgis, kvantinis mechaninis materijos sukimasis ekstremaliomis sąlygomis. Tyrėjai manė, kad kraštutinumai gali būti sutinkami tik egzotiškoje, labai įtemptoje aplinkoje, pavyzdžiui, baltosiose nykštukėse ir neutroninėse žvaigždėse, tačiau paaiškėja, kad savo saulės kieme turime pavyzdį. Net kai elektromagnetinės jėgos yra užvaldytos, tokias pat daleles kaip elektronai galima tik taip glaudžiai suspausti - jos atsisako tos pačios kvantinės mechaninės būsenos.
Kitaip tariant, elektronai niekada nesiskirs tokiu pačiu energijos lygiu, o tai reiškia, kad jie liks vienas šalia kito, niekada nepriartėdami, net jei jūs labai stipriai suspausite.
Kitas būdas pažvelgti į situaciją yra vadinamasis Heisenbergo neapibrėžtumo principas: Jei bandysite nustatyti elektrono padėtį paspausdami ant jo, jo greitis gali tapti labai didelis, todėl atsiras slėgio jėga, kuri priešinasi tolimesniam suspaudimui.
Taigi Jupiterio vidus iš tiesų yra keistas - protonų ir elektronų sriuba, įkaitusi iki aukštesnės nei saulės paviršiaus temperatūros, patiria milijoną kartų stipresnį nei žemėje slėgį ir yra priversta atskleisti tikrąją savo kvantinę prigimtį.
Sužinokite daugiau klausydamiesi epizodo „Kas pasaulyje yra metalinis vandenilis?“ „Ask A Spaceman“ podcast'e, kurį galima rasti „iTunes“ ir internete askaspaceman.com. Ačiū Tomui S., @Upguntha, Andresui C. ir Colinui E. už klausimus, kurie paskatino šį kūrinį! Užduokite savo klausimą „Twitter“ naudodami #AskASpaceman arba sekdami [email protected]/PaulMattSutter.
