Ниже закрученных вершин Юпитера общий водородный элемент существует в очень странном состоянии.
(Изображение: © Лелла Эрсег, Лицей Франсэ де Торонто / НАСА / SwRI / MSSS)
Пол Саттер - астрофизик в Университете штата Огайо и главный научный сотрудник научного центра COSI. Саттер также является хозяином Ask a Spaceman и Space Radio и ведет AstroTours по всему миру. Саттер опубликовал эту статью для «Экспертных голосов» Space.com: Op-Ed & Insights
Твердое вещество. Жидкость. Газ. Материалы, которые окружают нас в нашем обычном повседневном мире, разделены на три аккуратных лагеря. Нагреть твердый кубик воды (он же лед), и когда он достигает определенной температуры, он превращает фазы в жидкость. Продолжайте пускать тепло, и в итоге у вас будет газ: водяной пар.
Каждый элемент и молекула имеют свою собственную «фазовую диаграмму», карту того, что вы должны ожидать, если вы примените к ней определенную температуру и давление. Диаграмма уникальна для каждого элемента, потому что она зависит от точного атомного / молекулярного расположения и от того, как он взаимодействует с самим собой в различных условиях, поэтому ученым предстоит выявить эти диаграммы с помощью трудных экспериментов и тщательной теории. [Самые странные космические истории 2017 года]
Когда речь идет о водороде, мы обычно вообще не сталкиваемся с ним, за исключением случаев, когда он подкрепляется кислородом, чтобы сделать воду более привычной. Даже когда мы получаем его одиноким, его застенчивость мешает ему взаимодействовать с нами в одиночку - он объединяется в пару как двухатомная молекула, почти всегда как газ. Если вы застряли в бутылке и опустили температуру до 33 Кельвинов (минус 400 градусов по Фаренгейту или минус 240 градусов по Цельсию), водород станет жидкостью, а при температуре 14 К (минус 434 градуса по Фаренгейту или минус 259 градусов по Цельсию) он становится твердым.
Можно подумать, что на противоположном конце температурной шкалы горячий газ водорода останется ... горячим газом. И это правда, пока давление остается низким. Но сочетание высокой температуры и высокого давления приводит к некоторым интересным действиям.
Jovian глубокие погружения
На Земле, как мы видели, поведение водорода простое. Но Юпитер не Земля, и водород, найденный в изобилии внутри и под великими полосами и вихрями штормов его атмосферы, может быть вытеснен за пределы своих нормальных пределов.
Погруженные глубоко под видимой поверхностью планеты, давление и температура резко возрастают, и газообразный водород медленно уступает слою сверхкритического газожидкостного гибрида. Из-за этих экстремальных условий водород не может прийти в узнаваемое состояние. Слишком горячо, чтобы оставаться жидким, но под слишком большим давлением, чтобы свободно плавать как газ - это новое состояние вещества.
Спускайтесь глубже, и это становится еще более странным.
Даже в своем гибридном состоянии в тонком слое под верхушками облаков водород все еще прыгает как двухатомная молекула. Но при достаточном давлении (скажем, в миллион раз более интенсивном, чем атмосферное давление Земли на уровне моря), даже эти братские связи недостаточно прочны, чтобы противостоять подавляющим сжатиям, и они ломаются.
В результате, ниже примерно 8 000 миль (13 000 км) под облачными вершинами, получается хаотическая смесь свободных водородных ядер - которые представляют собой просто отдельные протоны - смешанные с освобожденными электронами. Вещество превращается в жидкую фазу, но то, что превращает водород в водород, теперь полностью диссоциировано на его составные части. Когда это происходит при очень высоких температурах и низких давлениях, мы называем это плазмой - то же самое, что масса солнца или молния.
Но в глубине Юпитера давление заставляет водород вести себя совсем не так, как плазма. Вместо этого он приобретает свойства, более схожие с металлическими. Следовательно: жидкий металлический водород.
Большинство элементов таблицы Менделеева - это металлы: они твердые и блестящие, что делает их хорошими электрическими проводниками. Элементы приобретают эти свойства благодаря расположению, которое они создают с собой при нормальных температурах и давлениях: они соединяются, образуя решетку, и каждый жертвует один или несколько электронов в общий горшок. Эти диссоциированные электроны свободно перемещаются, прыгая от атома к атому, как им угодно.
Если вы возьмете слиток золота и расплавите его, у вас все еще будут все преимущества металла в электронном обмене (кроме твердости), поэтому «жидкий металл» - не такая уж и чужая концепция. И некоторые элементы, которые обычно не являются металлическими, такие как углерод, могут приобретать эти свойства при определенных условиях или условиях.
Итак, на первый взгляд, «металлический водород» не должен быть такой странной идеей: это просто неметаллический элемент, который начинает вести себя как металл при высоких температурах и давлениях. «Изготовленный в лаборатории« металлический водород »может революционизировать ракетное топливо»
Раз вырожденный, всегда вырожденный
В чем суета?
Большая суета в том, что металлический водород не является типичным металлом. Металлы садового сорта имеют особую решетку ионов, встроенную в море свободно плавающих электронов. Но урезанный атом водорода - это всего лишь один протон, и протон ничего не может сделать, чтобы построить решетку.
Когда вы сжимаете металлический стержень, вы пытаетесь сблизить блокирующие ионы ближе друг к другу, что они совершенно ненавидят. Электростатическое отталкивание обеспечивает всю необходимую поддержку металла. Но протоны, взвешенные в жидкости? Это должно быть намного легче сжать. Как может жидкий металлический водород внутри Юпитера выдерживать сокрушительный вес атмосферы над ним?
Ответ - давление вырождения, квантово-механическая причуда вещества в экстремальных условиях. Исследователи считали, что экстремальные условия могут быть обнаружены только в экзотических, сверхплотных средах, таких как белые карлики и нейтронные звезды, но оказывается, что у нас есть пример прямо на нашем солнечном заднем дворе. Даже когда электромагнитные силы перегружены, идентичные частицы, такие как электроны, могут быть сжаты настолько тесно друг с другом - они отказываются иметь одно и то же квантово-механическое состояние.
Другими словами, электроны никогда не будут использовать один и тот же энергетический уровень, а это значит, что они будут накапливаться друг на друге, никогда не сближаясь, даже если вы сжимаете очень, очень сильно.
Другой способ взглянуть на ситуацию - это так называемый принцип неопределенности Гейзенберга: если вы попытаетесь определить положение электрона, нажимая на него, его скорость может стать очень большой, в результате чего сила давления будет сопротивляться дальнейшему сжатию.
Таким образом, внутренняя часть Юпитера действительно странная - суп из протонов и электронов, нагретых до температур, превышающих температуру поверхности Солнца, страдающих давлением в миллион раз сильнее, чем на Земле, и вынужденных раскрыть свою истинную квантовую природу.
Узнайте больше, слушая эпизод "Что в мире является металлическим водородом?" в подкасте Ask A Spaceman, доступном в iTunes и в Интернете по адресу askaspaceman.com. Спасибо Тому С., @Upguntha, Андресу С. и Колину Э. за вопросы, которые привели к этой части! Задайте свой вопрос в Twitter, используя #AskASpaceman или следуя [email protected]/PaulMattSutter.
