Onder Jupiter's wervelende wolkentoppen bevindt het gemeenschappelijke element waterstof zich in een heel vreemde staat.
(Afbeelding: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter is astrofysicus aan de Ohio State University en de hoofdwetenschapper aan het COSI science center. Sutter is ook gastheer van Ask a Spaceman en Space Radio en leidt AstroTours over de hele wereld. Sutter droeg dit artikel bij aan Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Solide. Vloeistof. Gas. De materialen die ons omringen in onze normale, alledaagse wereld zijn onderverdeeld in drie nette kampen. Verwarm een stevige kubus water (ook bekend als ijs) en wanneer het een bepaalde temperatuur bereikt, verandert het de fasen in een vloeistof. Blijf de hitte aanzwengelen en uiteindelijk heb je een gas: waterdamp.
Elk element en molecuul heeft zijn eigen 'fasediagram', een kaart van wat je zou kunnen verwachten als je er een specifieke temperatuur en druk op toepast. Het diagram is uniek voor elk element omdat het afhangt van de precieze atomaire / moleculaire rangschikking en hoe het onder verschillende omstandigheden met zichzelf interageert, dus het is aan wetenschappers om deze diagrammen te plagen door moeizame experimenten en zorgvuldige theorie. [De vreemdste ruimteverhalen van 2017]
Als het op waterstof aankomt, komen we het meestal helemaal niet tegen, behalve als het wordt gevuld met zuurstof om het bekendere water te maken. Zelfs als we het alleen krijgen, verhindert zijn verlegenheid dat het alleen met ons in wisselwerking staat - het gaat gepaard als een diatomair molecuul, bijna altijd als een gas. Als je wat in een fles opsluit en de temperatuur naar 33 Kelvin (minus 400 graden Fahrenheit of minus 240 graden Celsius) trekt, wordt waterstof een vloeistof en bij 14 K (min 434 graden F of min 259 graden C), het wordt een solide.
Je zou denken dat aan de andere kant van de temperatuurschaal een heet waterstofgas zou blijven ... een heet gas. En dat klopt, zolang de druk maar laag wordt gehouden. Maar de combinatie van hoge temperatuur en hoge druk leidt tot een aantal interessante gedragingen.
Jovian diepe duiken
Op aarde is, zoals we hebben gezien, het gedrag van waterstof eenvoudig. Maar Jupiter is niet de aarde, en de waterstof die in overvloed aanwezig is binnen en onder de grote banden en wervelende stormen van de atmosfeer kan buiten zijn normale grenzen worden geduwd.
Diep onder het zichtbare oppervlak van de planeet begraven, stijgen de druk en temperatuur dramatisch en maakt het gasvormige waterstof langzaam plaats voor een laag superkritische gas-vloeistofhybride. Door deze extreme omstandigheden kan de waterstof niet in een herkenbare staat terechtkomen. Het is te heet om een vloeistof te blijven, maar onder teveel druk om vrij als een gas te zweven - het is een nieuwe toestand.
Daal dieper af en het wordt nog vreemder.
Zelfs in zijn hybride toestand in een dunne laag net onder de wolkentoppen, stuitert waterstof nog steeds rond als een twee-voor-één diatomair molecuul. Maar bij voldoende druk (zeg een miljoen keer intenser dan de luchtdruk op zeeniveau), zijn zelfs die broederlijke banden niet sterk genoeg om de overweldigende compressies te weerstaan, en ze breken.
Het resultaat, minder dan ongeveer 8000 mijl (13.000 km) onder de wolkentoppen, is een chaotische mix van vrije waterstofkernen - dit zijn slechts enkele protonen - vermengd met vrijgemaakte elektronen. De stof keert terug naar een vloeibare fase, maar wat waterstof waterstof maakt, is nu volledig gescheiden in de samenstellende delen. Wanneer dit gebeurt bij zeer hoge temperaturen en lage drukken, noemen we dit een plasma - hetzelfde spul als het grootste deel van de zon of een bliksemschicht.
Maar in de diepten van Jupiter dwingen de drukken de waterstof om zich heel anders te gedragen dan een plasma. In plaats daarvan neemt het eigenschappen aan die meer lijken op die van een metaal. Vandaar: vloeibare metallische waterstof.
De meeste elementen op het periodiek systeem zijn metalen: ze zijn hard en glanzend en zorgen voor goede elektrische geleiders. De elementen halen die eigenschappen uit de opstelling die ze met zichzelf maken bij normale temperaturen en drukken: ze verbinden zich om een rooster te vormen en doneren elk een of meer elektronen aan de gemeenschapspot. Deze gedissocieerde elektronen zwerven vrij rond en springen van atoom naar atoom wanneer ze willen.
Als je een goudstaaf neemt en deze omsmelt, heb je nog steeds alle voordelen van het delen van elektronen van een metaal (behalve de hardheid), dus "vloeibaar metaal" is niet zo'n vreemd concept. En sommige elementen die normaal gesproken niet van metaal zijn, zoals koolstof, kunnen die eigenschappen onder bepaalde regelingen of omstandigheden aannemen.
Dus, op het eerste gezicht zou "metallische waterstof" niet zo'n vreemd idee moeten zijn: het is gewoon een niet-metallisch element dat zich gaat gedragen als een metaal bij hoge temperaturen en druk. [Lab-made 'metallic waterstof' kan raketbrandstof revolutioneren]
Eens gedegenereerd, altijd gedegenereerd
Wat is het gedoe?
De grote ophef is dat metallisch waterstof geen typisch metaal is. Tuinvariëteiten hebben dat speciale rooster van ionen ingebed in een zee van vrij zwevende elektronen. Maar een uitgekleed waterstofatoom is slechts één proton en er is niets dat een proton kan doen om een rooster te bouwen.
Wanneer je op een metalen staaf knijpt, probeer je de in elkaar grijpende ionen dichter bij elkaar te brengen, wat ze absoluut haten. Elektrostatische afstoting biedt alle ondersteuning die een metaal nodig heeft om sterk te zijn. Maar protonen zweven in een vloeistof? Dat zou veel gemakkelijker te persen zijn. Hoe kan de vloeibare metallische waterstof in Jupiter het verpletterende gewicht van de atmosfeer erboven dragen?
Het antwoord is degeneratiedruk, een kwantummechanische eigenaardigheid van materie onder extreme omstandigheden. Onderzoekers dachten dat extreme omstandigheden alleen te vinden zijn in exotische, ultradunne omgevingen zoals witte dwergen en neutronensterren, maar het blijkt dat we een voorbeeld hebben in onze zonnetuin. Zelfs als de elektromagnetische krachten worden overweldigd, kunnen identieke deeltjes zoals elektronen alleen zo dicht op elkaar worden gedrukt - ze weigeren dezelfde kwantummechanische toestand te delen.
Met andere woorden, elektronen zullen nooit hetzelfde energieniveau delen, wat betekent dat ze zich op elkaar blijven stapelen en nooit dichterbij komen, zelfs als je echt heel hard knijpt.
Een andere manier om naar de situatie te kijken is via het zogenaamde Heisenberg-onzekerheidsprincipe: als je probeert de positie van een elektron vast te pinnen door erop te duwen, kan zijn snelheid erg groot worden, wat resulteert in een drukkracht die bestand is tegen verder samendrukken.
Het interieur van Jupiter is dus inderdaad vreemd - een soep van protonen en elektronen, verhit tot hogere temperaturen dan die van het oppervlak van de zon, die miljoenen malen sterker onder druk staan dan die op aarde, en gedwongen wordt hun ware kwantumnatuur te onthullen.
Lees meer door te luisteren naar de aflevering "Wat is metallisch waterstof?" op de Ask A Spaceman-podcast, beschikbaar op iTunes en op internet op askaspaceman.com. Met dank aan Tom S., @Upguntha, Andres C. en Colin E. voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door [email protected]/PaulMattSutter te volgen.
