Under Jupiters virvlende skyetopper findes det almindelige element brint i en meget mærkelig tilstand.
(Billede: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og chefforsker ved COSI videnskabscenter. Sutter er også vært for Ask a Spaceman og Space Radio og fører AstroTours rundt om i verden. Sutter bidrog med denne artikel til Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Solid. Væske. Gas. De materialer, der omgiver os i vores normale hverdagslige verden er opdelt i tre pæne lejre. Opvarm en fast terning med vand (også is), og når den når en bestemt temperatur, skifter den faser til en væske. Bliv ved med at krumme varmen, og til sidst har du en gas: vanddamp.
Hvert element og molekyle har sit eget "fasediagram", et kort over, hvad du skal forvente at møde, hvis du anvender en bestemt temperatur og et tryk på det. Diagrammet er unikt for hvert element, fordi det afhænger af det nøjagtige atom / molekylære arrangement, og hvordan det interagerer med sig selv under forskellige betingelser, så det er op til videnskabsmænd at drille disse diagrammer gennem hård eksperimentering og omhyggelig teori. [De mærkeligste rumhistorier fra 2017]
Når det kommer til brint, møder vi det overhovedet ikke, undtagen når det er buddied med ilt for at gøre det mere kendte vand. Selv når vi får det ensomt, forhindrer det at det er sky at interagere med os alene - det parrer sig som et diatomisk molekyle, næsten altid som en gas. Hvis du fælder nogle i en flaske og trækker tempen ned til 33 kelvin (minus 400 grader Fahrenheit eller minus 240 grader Celsius), bliver brint en væske, og ved 14 K (minus 434 grader F eller minus 259 grader C), bliver det bliver et solidt.
Du skulle tro, at i den modsatte ende af temperaturskalaen ville en varm brintgas forblive ... en varm gas. Og det er sandt, så længe trykket holdes lavt. Men kombinationen af høj temperatur og højt tryk fører til nogle interessante opførsler.
Joviske dybe dykk
På jorden, som vi har set, er brintets opførsel ligetil. Men Jupiter er ikke Jorden, og brintet, der findes i overflod inden for og under de store bånd og virvlende storme i dens atmosfære, kan skubbes ud over dets normale grænser.
Begravet dybt under planetens synlige overflade stiger trykket og temperaturen dramatisk, og det gasformige brint bringer langsomt plads til et lag superkritisk gas-væske-hybrid. På grund af disse ekstreme forhold kan brintet ikke slå sig ned i en genkendelig tilstand. Det er for varmt til at forblive en væske, men under for meget pres til at flyde frit som en gas - det er en ny sagstilstand.
Gå ned dybere, og det bliver endnu fremmere.
Selv i sin hybridtilstand i et tyndt lag lige under skyetoppene springer brint stadig rundt som et to-for-en diatomisk molekyle. Men ved tilstrækkeligt tryk (f.eks. En million gange mere intens end Jordens lufttryk ved havets overflade), er selv de broderlige bindinger ikke stærke nok til at modstå de overvældende komprimeringer, og de klikker fast.
Resultatet, under ca. 13.000 km (13.000 km) under skyetoppene, er en kaotisk blanding af frie brintkerner - som kun er enkle protoner - blandet med frigjorte elektroner. Stoffet vender tilbage til en flydende fase, men hvad der gør brintbrint er nu fuldstændigt adskilt til dets bestanddele. Når dette sker ved meget høje temperaturer og lavt tryk, kalder vi dette et plasma - de samme ting som hovedparten af solen eller en lyn.
Men i Jupiters dybder tvinger presset brintet til at opføre sig meget anderledes end et plasma. I stedet for påtager det sig egenskaber, der er mere beslægtet med et metal. Derfor: flydende metallisk brint.
De fleste af elementerne på det periodiske system er metaller: De er hårde og skinnende og skaber gode elektriske ledere. Elementerne får disse egenskaber fra arrangementet, de laver med sig selv ved normale temperaturer og tryk: De kobles sammen for at danne et gitter, og hver donerer en eller flere elektroner til samfundspotten. Disse dissocierede elektroner strejfer frit og hopper fra atom til atom, som de vil.
Hvis du tager en stang med guld og smelter det, har du stadig alle fordelene med elektronisk deling af et metal (undtagen hårdheden), så "flydende metal" er ikke så fremmed et koncept. Og nogle elementer, der normalt ikke er metalliske, som kulstof, kan påtage sig disse egenskaber under visse arrangementer eller betingelser.
Så ved første rødme skulle "metallisk brint" ikke være så mærkelig idé: Det er bare et ikke-metallisk element, der begynder at opføre sig som et metal ved høje temperaturer og tryk. [Lab-fremstillet 'metallisk brint "kunne revolutionere raketbrændstof]
Når degenererede, altid degenererede
Hvad er det store ståhej?
Det store ståhej er, at metallisk brint ikke er et typisk metal. Have forskellige metaller har den specielle gitter af ioner indlejret i et hav af fritflydende elektroner. Men et fratrukket hydrogenatom er kun et enkelt proton, og der er ikke noget, en proton kan gøre for at opbygge et gitter.
Når du klemmer på en metalstang, forsøger du at tvinge de sammenkoblede ioner tættere sammen, hvilket de absolut hader. Elektrostatisk frastødning giver al den støtte et metal har brug for for at være stærk. Men protoner ophængt i en væske? Det burde være meget lettere at klæbe. Hvordan kan det flydende metalliske brint inde i Jupiter understøtte knusningsvægten af atmosfæren derover?
Svaret er degenerationspres, et kvantemekanisk underfund af stof under ekstreme forhold. Forskere troede forhold, som ekstreme kunne findes kun i eksotiske, ultradense miljøer som hvide dværge og neutronstjerner, men det viser sig, at vi har et eksempel lige i vores solterrasse. Selv når elektromagnetiske kræfter overvældes, kan identiske partikler som elektroner kun klemmes så tæt sammen - de nægter at dele den samme kvantemekaniske tilstand.
Med andre ord, elektroner vil aldrig dele det samme energiniveau, hvilket betyder, at de fortsat hoper sig ovenpå hinanden og aldrig kommer nærmere, selvom du klemmer virkelig, virkelig hårdt.
En anden måde at se situationen på er via det såkaldte Heisenberg-usikkerhedsprincip: Hvis du prøver at fastgøre et elektrons position ved at trykke på det, kan dens hastighed blive meget stor, hvilket resulterer i en trykstyrke, der modstår yderligere pres.
Så Jupiters indre er faktisk mærkeligt - en suppe af protoner og elektroner, opvarmet til temperaturer, der er højere end solens overflade, idet de lider et tryk, der er en million gange stærkere end dem på Jorden, og tvunget til at afsløre deres ægte kvante natur.
Lær mere ved at lytte til episoden "Hvad i all verden er metallisk brint?" på Ask A Spaceman-podcast, tilgængelig på iTunes og på nettet på askaspaceman.com. Tak til Tom S., @Upguntha, Andres C. og Colin E. for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge [email protected]/PaulMattSutter.
