Under Jupiters virvlende skyetopper finnes det vanlige elementet hydrogen i en veldig merkelig tilstand.
(Bilde: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og sjefforsker ved COSI vitensenter. Sutter er også vert for Ask a Spaceman og Space Radio, og leder AstroTours over hele verden. Sutter bidro med denne artikkelen til Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Fast. Væske. Gass. Materialene som omgir oss i vår normale hverdagslige verden er delt inn i tre pene leirer. Varm opp en solid kube vann (aka is), og når den når en viss temperatur, endrer den faser til en væske. Fortsett å svepe varmen, og til slutt har du en gass: vanndamp.
Hvert element og molekyl har sitt eget "fasediagram", et kart over hva du kan forvente å møte hvis du bruker en bestemt temperatur og trykk på det. Diagrammet er unikt for hvert element fordi det avhenger av det nøyaktige atom / molekylære arrangementet og hvordan det samspiller med seg selv under forskjellige forhold, så det er opp til forskere å drille ut disse diagrammer gjennom vanskelig eksperimentering og nøye teori. [De merkeligste romfortellinger fra 2017]
Når det gjelder hydrogen, møter vi det overhodet ikke, bortsett fra når det er buddied med oksygen for å gjøre det mer kjente vannet. Selv når vi får det ensom, forhindrer sjenanse det fra å samhandle med oss alene - det pares opp som et diatomisk molekyl, nesten alltid som en gass. Hvis du feller noen i en flaske og drar tempen ned til 33 kelvin (minus 400 grader Fahrenheit, eller minus 240 grader Celsius), blir hydrogen en væske, og ved 14 K (minus 434 grader F eller minus 259 grader C), blir det blir et solid.
Du skulle tro at i den motsatte enden av temperaturskalaen ville en varm gass med hydrogen forbli ... en varm gass. Og det er sant, så lenge trykket holdes lavt. Men kombinasjonen av høy temperatur og høyt trykk fører til noen interessante oppførsler.
Jovian dypdykk
På jorden, som vi har sett, er hydrogens oppførsel grei. Men Jupiter er ikke jorden, og hydrogenet som finnes i overflod i og under de store båndene og virvlende stormer i atmosfæren, kan skyves utenfor dets normale grenser.
Nedgravd dypt under planetens synlige overflate, øker trykket og temperaturen dramatisk, og det gassformige hydrogenet sakte viker for et lag superkritisk gass-væske-hybrid. På grunn av disse ekstreme forholdene, kan ikke hydrogenet slå seg ned i en gjenkjennelig tilstand. Det er for varmt å holde seg en væske, men under for mye press til å flyte fritt som en gass - det er en ny tilstand.
Gå ned dypere, og det blir enda merkeligere.
Selv i sin hybride tilstand i et tynt lag like under skyetoppene, spretter hydrogen fremdeles som et to-for-en diatomisk molekyl. Men med tilstrekkelig trykk (for eksempel en million ganger mer intens enn jordens lufttrykk på havnivå), er ikke selv de broderlige bindinger sterke nok til å motstå de overveldende kompresjonene, og de smeller.
Resultatet, under omtrent 13 000 km under skyetoppene, er en kaotisk blanding av frie hydrogenskjerner - som bare er enkle protoner - blandet med frigjorte elektroner. Stoffet går tilbake til en flytende fase, men det som gjør hydrogen til hydrogen er nå fullstendig demontert i komponentene. Når dette skjer ved veldig høye temperaturer og lavt trykk, kaller vi dette et plasma - de samme tingene som hoveddelen av solen eller en lyn.
Men i dypet av Jupiter tvinger presset hydrogenet til å oppføre seg mye annerledes enn et plasma. I stedet tar den på seg egenskaper som er mer beslektet med de av et metall. Derav: flytende metallisk hydrogen.
De fleste elementene på det periodiske bordet er metaller: De er harde og blanke, og sørger for gode elektriske ledere. Elementene får disse egenskapene fra arrangementet de gjør med seg selv ved normale temperaturer og trykk: De kobler seg sammen for å danne et gitter, og hver donerer en eller flere elektroner til samfunnsgryten. Disse dissosierte elektronene streifer fritt, og hopper fra atom til atom som de vil.
Hvis du tar en gullstang og smelter den ned, har du fremdeles alle elektrondelingsfordelene med et metall (bortsett fra hardheten), så "flytende metall" er ikke så fremmed et konsept. Og noen elementer som normalt ikke er metalliske, som karbon, kan ta på seg egenskapene under visse ordninger eller forhold.
Så ved første rødme skulle ikke "metallisk hydrogen" være så rart en ide: Det er bare et ikke-metallisk element som begynner å oppføre seg som et metall ved høye temperaturer og trykk. [Lab-Made 'Metallic Hydrogen' kan revolusjonere rakettdrivstoff]
Når degenerert, alltid en degenerert
Hva er det store oppstyret?
Det store oppstyret er at metallisk hydrogen ikke er et typisk metall. Hagesortmetaller har den spesielle gitteren av ioner innebygd i et hav av fritt flytende elektroner. Men et nedfelt hydrogenatom er bare et enkelt proton, og det er ingenting en proton kan gjøre for å bygge et gitter.
Når du klemmer på en metallstang, prøver du å tvinge de sammenflettende ionene nærmere hverandre, noe de absolutt hater. Elektrostatisk frastøtning gir all støtte et metall trenger for å være sterk. Men protoner suspendert i en væske? Det burde være mye lettere å klemme. Hvordan kan det flytende metalliske hydrogenet inne i Jupiter støtte den knuste vekten i atmosfæren over seg?
Svaret er degenerasjonstrykk, en kvantemekanisk særeie av materie under ekstreme forhold. Forskere trodde forhold som ekstreme bare kan finnes i eksotiske, ultradense miljøer som hvite dverger og nøytronstjerner, men det viser seg at vi har et eksempel rett i solenergården. Selv når elektromagnetiske krefter blir overveldet, kan identiske partikler som elektron bare klemmes så tett sammen - de nekter å dele den samme kvantemekaniske tilstanden.
Med andre ord, elektronene vil aldri dele det samme energinivået, noe som betyr at de fortsetter å hoper seg oppå hverandre, og aldri komme nærmere, selv om du klemmer virkelig, skikkelig hardt.
En annen måte å se på situasjonen er via det såkalte Heisenberg-usikkerhetsprinsippet: Hvis du prøver å feste posisjonen til et elektron ved å trykke på det, kan hastigheten bli veldig stor, noe som resulterer i en trykkraft som motstår ytterligere klemming.
Så interiøret i Jupiter er faktisk rart - en suppe av protoner og elektroner, oppvarmet til temperaturer høyere enn solens overflate, og lider et press som er en million ganger sterkere enn på jorden, og tvunget til å avsløre deres sanne kvanteinnhold.
Lær mer ved å lytte til episoden "Hva i all verden er metallisk hydrogen?" på Ask A Spaceman-podcasten, tilgjengelig på iTunes og på nettet på askaspaceman.com. Takk til Tom S., @Upguntha, Andres C. og Colin E. for spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman eller ved å følge [email protected]/PaulMattSutter.
