Jupiterin pyörteiden pilvikanteiden alla, yleinen elementti vety esiintyy hyvin omituisessa tilassa.
(Kuva: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopistossa ja johtava tiedemies COSI-tiedekeskuksessa. Sutter on myös Ask Spacemanin ja Space Radio -sovelluksen isäntä ja johtaa AstroToursia ympäri maailmaa. Sutter kirjoitti tämän artikkelin Space.com: n Expert Voices: Op-Ed & Insights -julkaisuun.
Kiinteä. Neste. Kaasu. Materiaalit, jotka ympäröivät meitä normaalissa, jokapäiväisessä maailmassamme, on jaettu kolmeen siistiin leiriin. Kuumenna kiinteä vesikuutio (alias jää), ja kun se saavuttaa tietyn lämpötilan, se muuttaa faasit nesteeksi. Jatka lämmön rapistamista, ja lopulta sinulla on kaasu: vesihöyry.
Jokaisella elementillä ja molekyylillä on oma "vaihekaavio", kartta siitä, mitä sinun tulee odottaa kohtaavan, jos kohdistat siihen tietty lämpötila ja paine. Kaavio on ainutlaatuinen jokaiselle elementille, koska se riippuu tarkasta atomi / molekyylin järjestelystä ja kuinka se vuorovaikuttaa itsensä kanssa eri olosuhteissa, joten tutkijoiden on kiusata nämä kaaviot vaivalloisen kokeilun ja huolellisen teorian avulla. [Vuoden 2017 omituimmat avarustarinat]
Kun kyse on vedystä, emme yleensä kohtaa sitä ollenkaan, paitsi jos se on budjunnassa happea tehdäkseen tutummasta vedestä. Jopa silloin, kun saamme sen yksinäiseltä, sen ujous estää sitä vuorovaikutuksessa kanssamme yksin - se parittuu piimaan muodossa, melkein aina kaasuna. Jos ansaat jotkut pullossa ja vedät lämpötilan alaspäin 33 kelviniiniin (miinus 400 Fahrenheit-astetta tai miinus 240 astetta Celsiusta), vedystä tulee nestettä ja 14 K: n lämpötilassa (miinus 434 astetta F tai miinus 259 astetta C) se tulee kiinteä.
Luuletko, että lämpötila-asteikon vastakkaisessa päässä kuuma vetykaasu jääisi ... kuumaksi kaasuksi. Ja se on totta, kunhan paine pidetään alhaisena. Mutta korkean lämpötilan ja korkean paineen yhdistelmä johtaa mielenkiintoisiin käyttäytymisiin.
Jovian syvä sukeltaa
Kuten olemme nähneet, maapallolla vedyn käyttäytyminen on suoraviivaista. Mutta Jupiter ei ole maapallo, ja vedyn, jota löytyy runsaasti ilmakehän suurten alueiden ja niiden alla ja pyörteistä myrskyistä, voidaan työntää normaalien rajojensa ulkopuolelle.
Haudattuna syvälle planeetan näkyvän pinnan alle, paineet ja lämpötila nousevat dramaattisesti, ja kaasumainen vety antaa hitaasti tien ylikriittisen kaasu-neste-hybridi-kerroksen. Näiden äärimmäisten olosuhteiden vuoksi vety ei voi asettua tunnistettavaan tilaan. On liian kuuma pysyäkseen nestemäisenä, mutta liian suuressa paineessa kelluakseen vapaasti kaasuna - se on uusi asiatila.
Laskeudu syvemmälle, ja se muuttuu vieläkin outommaksi.
Jopa hybriditilassaan ohuena kerroksena juuri pilvipeitteiden alla, vety palaa edelleen kaksois-diatomisena molekyylinä. Mutta riittävissä paineissa (esimerkiksi miljoona kertaa voimakkaampi kuin Maapallon ilmanpaine merenpinnalla) edes nämä veljeelliset siteet eivät ole riittävän vahvoja vastustamaan suuria puristuksia, ja ne napsahtavat.
Tulos, joka on pilvipeitteiden alla noin 8000 mailia (13 000 km), on kaoottinen sekoitus vapaita vetyydimiä - jotka ovat vain yksittäisiä protoneja - sekoittuneena vapautettuihin elektroniin. Aine palaa nestefaasiksi, mutta se, mikä tekee vetystä vedyn, on nyt täysin erillinen komponenteistaan. Kun tämä tapahtuu erittäin korkeissa lämpötiloissa ja alhaisissa paineissa, kutsumme tätä plasmaksi - samoja asioita kuin suurin osa auringosta tai salama.
Mutta Jupiterin syvyydessä paineet pakottavat vedyn käyttäytymään paljon eri tavalla kuin plasma. Sen sijaan sillä on ominaisuuksia, jotka ovat samankaltaisia kuin metallin ominaisuudet. Siksi: nestemäinen metallivety.
Suurin osa jaksollisen taulun elementeistä on metalleja: Ne ovat kovia ja kiiltäviä ja tekevät hyvistä sähköjohtimista. Elementit saavat nämä ominaisuudet järjestelystä, jonka he tekevät itsensä kanssa normaaleissa lämpötiloissa ja paineissa: Ne yhdistyvät hilan muodostamiseksi, ja kukin lahjoittaa yhden tai useamman elektronin yhteisöpottiin. Nämä dissosioituneet elektronit vaeltavat vapaasti, hyppäämällä atomista atomiin niin kuin haluavat.
Jos otat kultapalkin ja sulatat sen, sinulla on silti kaikki metallin elektronien jakamisen edut (paitsi kovuus), joten "nestemäinen metalli" ei ole niin vieras käsite. Ja jotkut elementit, jotka eivät yleensä ole metallisia, kuten hiili, voivat saada nämä ominaisuudet tietyissä järjestelyissä tai olosuhteissa.
Joten ensin punastuminen "metallisesta vedystä" ei saisi olla niin outoa ajatusta: Se on vain epämetallinen elementti, joka alkaa käyttäytyä metallina korkeissa lämpötiloissa ja paineissa. [Lab-made 'metallinen vety' saattaisi muuttaa rakettipolttoainetta]
Kerran rappeutunut, aina rappeutunut
Mikä iso häly?
Suuri hätkähdys on se, että metalli vety ei ole tyypillinen metalli. Puutarhalajikemetalleissa on erityinen ionien hila upotettuna vapaasti kelluvien elektronien mereen. Mutta irrotettu vetyatomi on vain yksi protoni, eikä protoni voi tehdä mitään hilan rakentamiseksi.
Kun puristat metallitankoa, yrität pakottaa lukitsevat ionit lähemmäksi toisiaan, joita he ehdottomasti vihaavat. Sähköstaattinen heijastus antaa kaiken tuen, jonka metallin on oltava vahva. Mutta protoneja suspendoituneena nesteeseen? Sen pitäisi olla paljon helpompaa tuhlata. Kuinka Jupiterin sisällä oleva nestemäinen metallivety voi tukea ilmakehän murskauspainoa sen yläpuolella?
Vastaus on rappeutumispaine, kvanttimekaaninen aineen kierto ääriolosuhteissa. Tutkijoiden mielestä äärimmäisiä olosuhteita voi esiintyä vain eksoottisissa, erittäin tiheissä ympäristöissä, kuten valkoisissa kääpiöissä ja neutronitähteissä, mutta osoittautuu, että meillä on esimerkki auringon takapihallamme. Jopa sähkömagneettisten voimien häiriintyessä, identtiset hiukkaset, kuten elektronit, voidaan puristaa vain niin tiukasti yhteen - ne kieltäytyvät jakamasta samaa kvantmekaanista tilaa.
Toisin sanoen elektronit eivät koskaan jaa samaa energiatasoa, mikä tarkoittaa, että ne jatkavat kasaantumistaan toistensa päälle, eivät koskaan pääse lähemmäksi, vaikka puristat todella, todella kovasti.
Toinen tapa tarkastella tilannetta on ns. Heisenbergin epävarmuusperiaatteen avulla: Jos yrität kiinnittää elektronin sijainnin työntämällä sitä, sen nopeus voi tulla erittäin suuri, mistä seuraa painevoima, joka vastustaa edelleen puristamista.
Jupiterin sisustus on siis todella outoa - protonien ja elektronien keitto, joka on lämmitetty korkeampiin lämpötiloihin kuin auringon pinta ja kärsii miljoonia kertoja voimakkaammista paineista kuin maan päällä ja pakottaa paljastamaan todellisen kvanttiluonteensa.
Lisätietoja kuuntelemalla jaksoa "Mikä maailmassa on metallista vetyä?" Ask A Spaceman -podcastissa, saatavana iTunesissa ja verkossa osoitteessa askaspaceman.com. Kiitos Tom S.: lle, @Upgunthalle, Andres C.: lle ja Colin E.: lle kysymyksistä, jotka johtivat tähän teokseen! Esitä oma kysymys Twitterissä käyttämällä #AskASpaceman tai seuraamalla [email protected]/PaulMattSutter.
