Pod vírivými vrcholmi mrakov Jupitera existuje vodík vo veľmi zvláštnom stave.
(Obrázok: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter je astrofyzik na Štátnej univerzite v Ohiu a hlavný vedec vo vedeckom centre COSI. Sutter je tiež hostiteľom programu Spaceman and Space Radio a vedie spoločnosť AstroTours po celom svete. Sutter prispel týmto článkom k odborným hlasom agentúry Space.com: Op-Ed & Insights.
Pevná látka. Liquid. Plyn. Materiály, ktoré nás obklopujú v našom bežnom každodennom svete, sú rozdelené do troch elegantných táborov. Zahrejte pevnú kocku vody (tiež ľadu) a keď dosiahne určitú teplotu, zmení fázy na kvapalinu. Neustále točte teplo a nakoniec budete mať plyn: vodnú paru.
Každý prvok a molekula má svoj „fázový diagram“, mapu toho, s čím by ste sa mali stretnúť, ak naň aplikujete určitú teplotu a tlak. Schéma je jedinečná pre každý prvok, pretože závisí od presného usporiadania atómov / molekúl a od toho, ako interaguje so sebou za rôznych podmienok, takže je na vedcoch, aby tieto diagramy dráždili pomocou náročných experimentov a starostlivej teórie. [The Strangest Space Stories Of 2017]
Pokiaľ ide o vodík, obyčajne sa s ním nestretávame, s výnimkou prípadu, keď je obohatený kyslíkom, aby sa vytvorila známejšia voda. Aj keď to dosiahneme osamelým, jeho plachosť bráni tomu, aby interagoval iba s nami - spáruje sa ako diatomická molekula, takmer vždy ako plyn. Ak zachytíte niečo vo fľaši a potiahnete teplotu na 33 kelvínov (mínus 400 stupňov Fahrenheita alebo mínus 240 stupňov Celzia), vodík sa stane tekutinou a pri 14 K (mínus 434 stupňov F alebo mínus 259 stupňov C) sa stáva pevným.
Mysleli by ste si, že na opačnom konci teplotnej stupnice by horúci plyn vodíka zostal ... horúci plyn. A to je pravda, pokiaľ je tlak nízky. Kombinácia vysokej teploty a vysokého tlaku však vedie k niektorým zaujímavým správaniu.
Jovianské hlboké ponory
Ako sme videli, na Zemi je správanie vodíka jednoduché. Jupiter však nie je Zem a vodík nachádzajúci sa v hojnosti vnútri a pod veľkými pásmami a víriace búrky atmosféry môžu byť vytlačené za svoje normálne limity.
Po stlačení hlboko pod viditeľný povrch planéty dramaticky stúpajú tlaky a teplota a plynný vodík pomaly ustupuje vrstve superkritického hybridného plynu a kvapaliny. V dôsledku týchto extrémnych podmienok sa vodík nemôže usadiť do rozpoznateľného stavu. Je príliš horúce na to, aby zostalo kvapalinou, ale pod príliš veľkým tlakom, aby voľne plával ako plyn - je to nový stav hmoty.
Zostaňte hlbšie a je to ešte cudzie.
Dokonca aj vo svojom hybridnom stave v tenkej vrstve tesne pod vrcholmi mrakov sa vodík stále odráža ako dvojitá kremelinová molekula. Ale pri dostatočných tlakoch (povedzme, miliónkrát intenzívnejšie, než je tlak vzduchu Zeme na hladine mora), ani tie bratské zväzky nie sú natoľko silné, aby odolali drvivým kompresiám, a zaskočia.
Výsledkom je, že pod vrcholmi mrakov je to zhruba 13 000 km. Chaotická zmes voľných atómov vodíka - ktoré sú iba jednoduchými protónmi - zmiešaná s uvoľnenými elektrónmi. Látka sa vracia do kvapalnej fázy, ale to, čo spôsobuje, že vodíkový vodík je teraz úplne disociovaný na jednotlivé zložky. Keď sa to stane pri veľmi vysokých teplotách a nízkych tlakoch, nazývame to plazma - to isté ako časť slnka alebo blesk.
Ale v hĺbke Jupitera tlak tlačí vodík, aby sa správal oveľa inak ako plazma. Namiesto toho preberá vlastnosti viac podobné vlastnostiam kovu. Preto: tekutý kovový vodík.
Väčšina prvkov v periodickej tabuľke sú kovy: Sú tvrdé a lesklé a vytvárajú dobré elektrické vodiče. Prvky získajú tieto vlastnosti z usporiadania, ktoré sami so sebou vytvárajú pri normálnych teplotách a tlakoch: Spoja sa a vytvoria mriežku a každý daruje jeden alebo viac elektrónov do komunitného hrnca. Tieto disociované elektróny sa voľne pohybujú a preskakujú z jedného atómu na druhý.
Ak zoberiete prúžok zlata a roztavíte ho, stále máte všetky výhody kovového zdieľania elektrónov (okrem tvrdosti), takže pojem „tekutý kov“ nie je tým cudzím konceptom. A niektoré prvky, ktoré nie sú zvyčajne kovové, ako napríklad uhlík, môžu tieto vlastnosti nadobudnúť za určitých podmienok alebo podmienok.
Takže na prvý pohľad by sa „kovový vodík“ nemal stať tak zvláštnym nápadom: Je to len nekovový prvok, ktorý sa pri vysokých teplotách a tlakoch začína správať ako kov. [Laboratórne vyrobený „kovový vodík“ by mohol revolucionalizovať raketové palivo]
Raz degenerovaný, vždy degenerovaný
Aký je veľký rozruch?
Veľkým problémom je, že kovový vodík nie je typický kov. Kovové záhradné odrody majú túto špeciálnu mriežku iónov zabudovanú do mora voľne plávajúcich elektrónov. Odizolovaný atóm vodíka je iba jeden protón a protón nemôže nič urobiť, aby vybudoval mriežku.
Keď stlačíte kovovú tyčinku, snažíte sa zaistiť ióny bližšie k sebe, čo absolútne nenávidia. Elektrostatický odpor poskytuje všetku podporu, ktorú musí kov byť silný. Ale protóny sa suspendovali v tekutine? To by malo byť oveľa ľahšie prekypovať. Ako môže tekutý kovový vodík vo vnútri Jupitera udržať drvivú hmotnosť atmosféry nad ním?
Odpoveďou je tlak degenerácie, kvantový mechanický náraz látky v extrémnych podmienkach. Vedci sa domnievali, že extrémy sa môžu vyskytovať iba v exotických ultradenzantných prostrediach, ako sú biele trpaslíci a neutrónové hviezdy, ale ukázalo sa, že máme príklad priamo v našej slnečnej záhrade. Aj keď sú elektromagnetické sily ohromené, rovnaké častice ako elektróny je možné stlačiť len tak pevne dokopy - odmietajú zdieľať rovnaký kvantový mechanický stav.
Inými slovami, elektróny nikdy nebudú zdieľať rovnakú energetickú hladinu, čo znamená, že sa budú hromadiť na sebe, nikdy sa nedostanú bližšie, aj keď stlačíte naozaj, naozaj tvrdo.
Ďalším spôsobom, ako sa pozerať na túto situáciu, je zásada tzv. Heisenbergovho princípu neurčitosti: Ak sa pokúsite zachytiť polohu elektrónu jeho zatlačením, jeho rýchlosť sa môže veľmi zväčšiť, čo má za následok tlakovú silu, ktorá odoláva ďalšiemu stláčaniu.
Interiér Jupitera je skutočne zvláštny - polievka protónov a elektrónov, zohriata na teploty vyššie ako teplota slnečného povrchu, ktoré sú miliónkrát silnejšie ako tie na Zemi, a boli nútené odhaliť svoju skutočnú kvantovú povahu.
Dozvedieť sa viac počúvaním epizódy „Čo je na svete kovový vodík?“ na podcastu Ask A Spaceman, ktorý je k dispozícii na iTunes a na webe askaspaceman.com. Ďakujeme Tomovi S., @ Upguntha, Andresovi C. a Colinovi E. za otázky, ktoré viedli k tomuto dielu! Svoju vlastnú otázku položte na Twitteri pomocou #AskASpaceman alebo sledujte [email protected]/PaulMattSutter.
