Jüpiter'in dönen bulut tepelerinin altında, ortak element hidrojen çok garip bir durumda bulunur.
(Resim: © Lella Erceg, Toronto Fransız Lisesi / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter, Ohio Eyalet Üniversitesi'nde astrofizikçi ve COSI bilim merkezinde baş bilim insanıdır. Sutter ayrıca Ask Spaceman ve Space Radio'ya ev sahipliği yapıyor ve dünya çapında AstroTours'u yönetiyor. Sutter bu makaleye Space.com'un Uzman Sesleri: Op-Ed & Insights'a katkıda bulunmuştur.
Katı. Sıvı. Gaz. Normal, günlük dünyamızda bizi kuşatan malzemeler üç temiz kampa ayrılmıştır. Katı bir su küpünü (buz gibi) ısıtın ve belirli bir sıcaklığa ulaştığında, fazları bir sıvıya dönüştürür. Sıcaklığı artırmaya devam edin ve sonunda bir gazınız olacak: su buharı.
Her elementin ve molekülün kendine ait bir "faz diyagramı" vardır, buna belirli bir sıcaklık ve basınç uygularsanız karşılaşmanız gereken şeylerin bir haritasıdır. Diyagram her elemente özgüdür, çünkü kesin atomik / moleküler düzenlemeye ve çeşitli koşullar altında kendisiyle nasıl etkileşime girdiğine bağlıdır, bu nedenle zorlu diyagramlar ve dikkatli teori yoluyla bu diyagramları çıkarmak bilim adamlarına bağlıdır. [2017'nin En Tuhaf Uzay Hikayeleri]
Hidrojen söz konusu olduğunda, daha tanıdık su yapmak için oksijen ile tomurcuklandığı zaman, genellikle hiç karşılaşmıyoruz. Onu yalnızlıkla elde ettiğimizde bile, utangaçlığı sadece bizimle etkileşime girmesini engeller - neredeyse her zaman bir gaz olarak diyatomik bir molekül olarak eşleşir. Biraz şişede yakalar ve sıcaklığı 33 kelvine (eksi 400 derece Fahrenheit veya eksi 240 derece Celsius) düşürürseniz, hidrojen sıvı olur ve 14 K'da (eksi 434 derece F veya eksi 259 derece C), katılaşır.
Sıcaklık skalasının karşı ucunda sıcak bir hidrojen gazı kalacaktı… sıcak bir gaz. Ve bu, basınç düşük tutulduğu sürece doğrudur. Ancak yüksek sıcaklık ve yüksek basınç kombinasyonu bazı ilginç davranışlara yol açar.
Jovian derin dalışları
Dünyada, gördüğümüz gibi, hidrojenin davranışı basittir. Ancak Jüpiter Dünya değildir ve atmosferin büyük bantları ve altında dönen fırtınaların içinde ve altında bol miktarda bulunan hidrojen normal sınırlarının ötesine itilebilir.
Gezegenin görünür yüzeyinin derinliklerine gömülmüş, basınçlar ve sıcaklık dramatik bir şekilde yükselir ve gaz halindeki hidrojen yavaş yavaş süperkritik bir gaz-sıvı hibrid tabakasına yol açar. Bu aşırı koşullar nedeniyle, hidrojen tanınabilir bir duruma yerleşemez. Sıvı kalmak çok sıcaktır, ancak gaz olarak serbestçe yüzmek için çok fazla baskı altında - bu yeni bir durumdur.
Daha derine inin ve daha da garipleşir.
Bulut tepelerinin hemen altındaki ince bir tabakadaki hibrit durumunda bile, hidrojen hala bire bir iki atomlu bir molekül olarak zıplıyor. Ancak yeterli basınçlarda (diyelim ki, deniz seviyesindeki Dünya'nın hava basıncından bir milyon kat daha yoğun), bu kardeş bağlar bile ezici sıkıştırmalara direnecek kadar güçlü değildir ve yapışırlar.
Bulut tepelerinin altında yaklaşık 8.000 milin (13.000 km) altındaki sonuç, serbest elektronlarla karışan kaotik bir serbest hidrojen çekirdeği karışımıdır. Madde sıvı bir faza döner, ancak hidrojen hidrojeni yapan şey artık bileşen parçalarına tamamen ayrılmıştır. Bu çok yüksek sıcaklıklarda ve düşük basınçlarda meydana geldiğinde, buna plazma diyoruz - güneşin kütlesi veya şimşek gibi aynı şey.
Ancak Jüpiter'in derinliklerinde, basınçlar hidrojeni bir plazmadan çok farklı davranmaya zorlar. Bunun yerine, bir metalinkine daha benzer özellikler alır. Bu nedenle: sıvı metalik hidrojen.
Periyodik tablodaki elementlerin çoğu metallerdir: Sert ve parlaktırlar ve iyi elektrik iletkenleri oluştururlar. Elemanlar bu özellikleri normal sıcaklıklarda ve basınçlarda kendileriyle yaptıkları düzenlemeden alırlar: Bir kafes oluşturmak için bağlanırlar ve her biri topluluk tenceresine bir veya daha fazla elektron bağışlar. Bu ayrışmış elektronlar serbestçe dolaşır, atomdan atoma istedikleri gibi atlar.
Bir külçe altın alıp eritirseniz, bir metalin (sertlik hariç) tüm elektron paylaşma avantajlarına sahip olursunuz, bu nedenle "sıvı metal" yabancı bir kavram değildir. Ve normalde karbon gibi metalik olmayan bazı elementler, belirli düzenlemeler veya koşullar altında bu özellikleri alabilir.
Yani, ilk bakışta, "metalik hidrojen" o kadar garip bir fikir olmamalı: Yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda metal gibi davranmaya başlayan metalik olmayan bir element. [Laboratuvar Yapımı 'Metalik Hidrojen' Roket Yakıtında Devrim Yaratabilir]
Bir kez dejenere, her zaman dejenere
Büyük yaygara nedir?
Büyük sorun, metalik hidrojenin tipik bir metal olmadığıdır. Bahçe çeşidi metalleri, serbest yüzen elektronların bir denizine gömülü özel iyon kafeslerine sahiptir. Fakat soyulmuş bir hidrojen atomu sadece tek bir proton ve bir protonun kafes oluşturmak için yapabileceği hiçbir şey yok.
Bir metal çubuğa sıkıştırdığınızda, birbirine kenetlenen iyonları birbirine kesinlikle daha fazla zorlamaya çalışıyorsunuz, kesinlikle nefret ediyorlar. Elektrostatik itme, bir metalin güçlü olması için gereken tüm desteği sağlar. Fakat protonlar bir sıvı içinde askıya alındı? Ezmek çok daha kolay olmalı. Jüpiter'in içindeki sıvı metalik hidrojen, üzerindeki atmosferin kırma ağırlığını nasıl destekleyebilir?
Cevap, aşırı koşullar altında maddenin kuantum mekanik bir tuhaflığı olan dejenerasyon basıncıdır. Araştırmacılar, aşırı uçların yalnızca beyaz cüceler ve nötron yıldızları gibi egzotik, ultra yoğun ortamlarda bulunabileceğini düşündüler, ancak güneş arka bahçemizde bir örneğimiz olduğu ortaya çıktı. Elektromanyetik kuvvetler bunalmış olsa bile, elektronlar gibi özdeş parçacıklar ancak bu kadar sıkı bir şekilde sıkıştırılabilir - aynı kuantum mekanik durumu paylaşmayı reddederler.
Başka bir deyişle, elektronlar asla aynı enerji seviyesini paylaşmayacak, yani gerçekten çok gerçekten sıksanız bile, birbirlerinin üzerine yığılmaya devam edecekler, asla yaklaşmayacaklar.
Duruma bakmanın bir başka yolu, sözde Heisenberg belirsizlik ilkesidir: Bir elektronun üzerine iterek konumunu sabitlemeye çalışırsanız, hızı çok daha büyük olabilir ve bu da daha fazla sıkılmaya direnen bir basınç kuvvetiyle sonuçlanır.
Yani Jüpiter'in içi gerçekten garip - güneş yüzeyinin sıcaklığından daha yüksek sıcaklıklara ısıtılan bir proton ve elektron çorbası, Dünyadakilerden milyon kat daha güçlü baskılar çekiyor ve gerçek kuantum doğalarını ortaya çıkarmak zorunda kaldı.
"Dünyada metalik hidrojen nedir?" Bölümünü dinleyerek daha fazla bilgi edinin. iTunes ve web üzerinde askaspaceman.com adresinde bulunan Ask A Spaceman podcast'inde. Bu parçaya yol açan sorular için Tom S., @Upguntha, Andres C. ve Colin E. #AskASpaceman'ı kullanarak veya [email protected]/PaulMattSutter'i takip ederek Twitter'da kendi sorunuzu sorun.
