Pod Jupiterovými vířícími vrcholky mraků existuje společný prvek vodík ve velmi podivném stavu.
(Obrázek: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter je astrofyzik na Státní univerzitě v Ohiu a hlavní vědec ve vědeckém centru COSI. Sutter je také hostitelem Ask Spaceman and Space Radio a vede AstroTours po celém světě. Sutter přispěl tímto článkem do expertních hlasů Space.com: Op-Ed & Insights.
Pevný. Tekutý. Plyn. Materiály, které nás obklopují v našem běžném každodenním světě, jsou rozděleny do tří elegantních táborů. Zahřejte pevnou kostku vody (aka ledu), a když dosáhne určité teploty, změní fáze na kapalinu. Pokračujte v zahřívání a nakonec budete mít plyn: vodní páru.
Každý prvek a molekula má svůj vlastní „fázový diagram“, mapu toho, s čím byste se měli setkat, pokud na ni aplikujete určitou teplotu a tlak. Diagram je pro každý prvek jedinečný, protože závisí na přesném uspořádání atomů a molekul a na tom, jak interaguje se sebou samým za různých podmínek, takže je na vědcích, aby tyto diagramy dráždili pomocí náročných experimentů a pečlivé teorie. [Nejpodivnější vesmírné příběhy 2017]
Pokud jde o vodík, obvykle se s ním vůbec nestřetáváme, s výjimkou případů, kdy je kyslík obohacen o kyslík, aby se stala známější vodou. I když to chápeme osaměle, jeho plachost mu brání v interakci s námi samotnými - spáruje se jako diatomická molekula, téměř vždy jako plyn. Pokud nějaký chytíte do láhve a zatáhnete tempem na 33 kelvinů (minus 400 stupňů Fahrenheita nebo minus 240 stupňů Celsia), vodík se stane kapalinou a při 14 K (minus 434 stupňů F nebo minus 259 stupňů C) se stává pevným.
Mysleli byste si, že na opačném konci teplotní stupnice zůstane horký plynný vodík ... horký plyn. A to je pravda, pokud je tlak nízký. Kombinace vysoké teploty a vysokého tlaku však vede k některým zajímavým chováním.
Jovianské hluboké ponory
Jak jsme viděli, na Zemi je chování vodíku přímé. Jupiter však není Země a vodík nalezený v hojnosti uvnitř a pod velkými kapelami a vířící bouře jeho atmosféry může být tlačen za normální hranice.
Po pohřbení hluboko pod viditelným povrchem planety dramaticky stoupají tlaky a teplota a plynný vodík pomalu ustupuje vrstvě superkritického hybridního plynu a kapaliny. V důsledku těchto extrémních podmínek se vodík nemůže usadit do rozpoznatelného stavu. Je příliš horké na to, aby zůstalo kapalinou, ale pod příliš velkým tlakem, aby volně plaval jako plyn - je to nový stav hmoty.
Sestoupit hlouběji, a to je ještě podivnější.
Dokonce i ve svém hybridním stavu v tenké vrstvě těsně pod vrcholky mraků se vodík stále odráží jako dvojitá křemelina. Ale při dostatečných tlacích (řekněme, milionkrát intenzivnější než je tlak vzduchu na Zemi na hladině moře), ani ty bratrské svazky nejsou dostatečně silné, aby odolávaly ohromným kompresím, a trhají.
Výsledkem, pod zhruba 13 000 km (13 000 km) pod vrcholky mraků, je chaotická směs atomů volného vodíku - což jsou jen jednotlivé protony - promíchaná s osvobozenými elektrony. Látka se vrací do kapalné fáze, ale to, co způsobuje, že vodíkový vodík je nyní zcela disociován na jednotlivé složky. Když se to stane při velmi vysokých teplotách a nízkých tlacích, nazýváme to plazma - to samé jako část slunce nebo blesk.
V hloubkách Jupiteru však tlak nutí vodík, aby se choval mnohem odlišněji než plazma. Místo toho přebírá vlastnosti více podobné vlastnostem kovu. Tedy: tekutý kovový vodík.
Většina prvků v periodické tabulce jsou kovy: Jsou tvrdé a lesklé a vytvářejí dobré elektrické vodiče. Prvky získají tyto vlastnosti z uspořádání, které si samy vytvoří, za normálních teplot a tlaků: Spojí se a vytvoří mříž a každý daruje jeden nebo více elektronů do komunitního hrnce. Tyto disociované elektrony se volně pohybují a přecházejí z atomu na atom, jak se jim zachce.
Pokud si vezmete lištu zlata a roztavíte ji, máte stále všechny výhody kovového sdílení kovu (s výjimkou tvrdosti), takže „tekutý kov“ není tak cizí koncept. A některé prvky, které nejsou obvykle kovové, jako je uhlík, mohou tyto vlastnosti převzít za určitých uspořádání nebo podmínek.
Takže na první pohled by se „kovový vodík“ neměl stát tak podivným nápadem: Je to jen nekovový prvek, který se za vysokých teplot a tlaků začíná chovat jako kov. [Laboratorní 'kovový vodík' může revoluci raketového paliva]
Jednou degenerovaný, vždy degenerovaný
Jaký je velký rozruch?
Velký problém je, že kovový vodík není typický kov. Zahradní odrůdové kovy mají tuto speciální mříž iontů zabudovanou do moře volně se pohybujících elektronů. Ale svázaný atom vodíku je jen jediný proton a není nic, co by proton mohl udělat, aby vybudoval mříž.
Když stisknete kovovou tyč, pokusíte se přinutit blokující ionty blíže k sobě, což naprosto nenávidí. Elektrostatický odpor poskytuje veškerou podporu, kterou musí kov být silný. Ale protony se suspendovaly v tekutině? To by mělo být mnohem snazší naříkat. Jak může kapalný kovový vodík uvnitř Jupiteru podpořit tlakovou hmotnost atmosféry nad ním?
Odpovědí je degenerační tlak, kvantový mechanický výstřel hmoty za extrémních podmínek. Vědci si mysleli, že extrémy lze nalézt pouze v exotických ultradenzních prostředích, jako jsou bílí trpaslíci a neutronové hvězdy, ale ukázalo se, že máme příklad přímo v naší sluneční zahradě. I když jsou elektromagnetické síly přemoženy, identické částice jako elektrony mohou být stlačeny jen tak pevně dohromady - odmítají sdílet stejný kvantový mechanický stav.
Jinými slovy, elektrony nikdy nebudou sdílet stejnou energetickou hladinu, což znamená, že se budou udržovat na sobě, nikdy se nedostanou blíž, i když opravdu stlačíte opravdu, opravdu tvrdě.
Dalším způsobem, jak se na situaci podívat, je pomocí takzvaného Heisenbergova principu nejistoty: Pokud se pokusíte zachytit polohu elektronu tlačením na něj, jeho rychlost může být velmi velká, což má za následek tlakovou sílu, která odolává dalšímu stlačování.
Interiér Jupiteru je tedy opravdu podivný - polévka protonů a elektronů, zahřátá na vyšší teploty, než je teplota slunečního povrchu, trpí milionykrát silnějšími tlaky než na Zemi a je nucena odhalit svou skutečnou kvantovou povahu.
Více se dozvíte poslechem epizody „Co je na světě kovový vodík?“ na podcastu Ask A Spaceman, který je k dispozici na iTunes a na webu askaspaceman.com. Děkuji Tomu S., @ Upguntha, Andresovi C. a Colinovi E. za otázky, které k tomuto dílu vedly! Zeptejte se na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledujte [email protected]/PaulMattSutter.
