ใต้ไฮโดรเจนที่หมุนรอบตัวของดาวพฤหัสธาตุไฮโดรเจนทั่วไปนั้นอยู่ในสถานะที่แปลกมาก
(ภาพ: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter เป็นนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ The Ohio State University และหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์วิทยาศาสตร์ COSI ซัทเทอร์ยังเป็นเจ้าภาพถาม Ask Spaceman และ Space Radio และเป็นผู้นำ AstroTours ทั่วโลก ซัทเทอร์สนับสนุนบทความนี้เพื่อเสียงผู้เชี่ยวชาญของ Space.com: Op-Ed & Insights
ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ. วัสดุที่ล้อมรอบเราในโลกปกติของเราทุกวันแบ่งออกเป็นสามค่ายเรียบร้อย อุ่นก้อนน้ำแข็ง (หรือที่รู้จักว่าน้ำแข็ง) และเมื่ออุณหภูมิถึงระดับหนึ่งจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว หมุนตัวความร้อนและในที่สุดคุณจะมีก๊าซ: ไอน้ำ
องค์ประกอบและโมเลกุลทุกชิ้นมี "เฟสไดอะแกรม" ของตนเองแผนที่ของสิ่งที่คุณควรคาดหวังว่าจะพบถ้าคุณใช้อุณหภูมิและความดันที่เฉพาะเจาะจงกับมัน แผนภาพนั้นมีลักษณะเฉพาะสำหรับแต่ละองค์ประกอบเพราะมันขึ้นอยู่กับการจัดเรียงอะตอม / โมเลกุลที่แม่นยำและวิธีการโต้ตอบกับตัวเองภายใต้เงื่อนไขต่าง ๆ ดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับนักวิทยาศาสตร์ที่จะหยอกล้อแผนภาพเหล่านี้ผ่านการทดลองที่ยากลำบากและทฤษฎีที่รอบคอบ [เรื่องราวอวกาศที่แปลกประหลาดที่สุดของปี 2017]
เมื่อพูดถึงไฮโดรเจนเรามักจะไม่พบเจอเลยยกเว้นเมื่อมันมีออกซิเจนในการสร้างน้ำที่คุ้นเคย แม้ว่าเราจะได้รับมันโดยเปล่าเปลี่ยวความเขินอายของมันก็ป้องกันไม่ให้มันมีปฏิสัมพันธ์กับเราเพียงอย่างเดียว - มันจับคู่กับโมเลกุลของไดอะตอมมิกซึ่งมักจะเป็นก๊าซ หากคุณดักจับขวดและดึงอุณหภูมิลงไปที่ 33 เคลวิน (ลบ 400 องศาฟาเรนไฮต์หรือลบ 240 องศาเซลเซียส) ไฮโดรเจนกลายเป็นของเหลวและที่ 14 K (ลบ 434 องศา F หรือลบ 259 องศาเซลเซียส) มัน กลายเป็นของแข็ง
คุณจะคิดว่าในอีกด้านหนึ่งของระดับอุณหภูมิก๊าซร้อนของไฮโดรเจนจะอยู่ ... เป็นก๊าซร้อน และนั่นเป็นความจริงตราบใดที่ความดันลดลง แต่การรวมกันของอุณหภูมิสูงและความดันสูงนำไปสู่พฤติกรรมที่น่าสนใจ
ดำผิวน้ำ Jovian
บนโลกอย่างที่เราเห็นพฤติกรรมของไฮโดรเจนนั้นตรงไปตรงมา แต่ดาวพฤหัสบดีไม่ใช่โลกและไฮโดรเจนที่พบในความอุดมสมบูรณ์ภายในและภายใต้วงดนตรีที่ยิ่งใหญ่และพายุหมุนวนในชั้นบรรยากาศสามารถผลักดันเกินขีด จำกัด ปกติได้
ฝังลึกใต้พื้นผิวที่มองเห็นของดาวเคราะห์ความกดดันและอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างมากและไฮโดรเจนก๊าซจะค่อยๆปล่อยให้ชั้นของไฮบริดของเหลวและก๊าซที่วิกฤตยิ่งยวด เนื่องจากสภาวะที่รุนแรงเหล่านี้ไฮโดรเจนจึงไม่สามารถอยู่ในสถานะที่รู้จักได้ มันร้อนเกินไปที่จะคงสภาพเป็นของเหลว แต่อยู่ภายใต้แรงกดดันมากเกินไปที่จะลอยอย่างอิสระในฐานะก๊าซ - มันเป็นสถานะใหม่ของสสาร
สืบเชื้อสายลึกลงไปอีกและมันก็ยิ่งแปลกกว่าเดิม
แม้จะอยู่ในสถานะไฮบริดของมันในชั้นบาง ๆ ใต้ยอดเมฆไฮโดรเจนก็ยังคงกระเด้งไปมาเป็นโมเลกุลไดอะตอมมิกแบบสองต่อหนึ่ง แต่ด้วยแรงกดดันที่เพียงพอ (บอกว่ารุนแรงกว่าความดันอากาศของโลกที่ระดับน้ำทะเลถึงหนึ่งล้านเท่า) แม้กระทั่งพันธะภราดรภาพเหล่านั้นก็ยังไม่แข็งแรงพอที่จะต้านทานแรงกดทับที่รุนแรง
ผลที่ได้ต่ำกว่า 8,000 ไมล์ (13,000 กม.) ใต้ยอดเมฆคือการรวมกันของนิวเคลียสไฮโดรเจนอิสระที่วุ่นวายซึ่งเป็นเพียงโปรตอนเดี่ยวซึ่งมีอิเล็กตรอนอิสระ สารเปลี่ยนกลับไปเป็นของเหลว แต่ตอนนี้สิ่งที่ทำให้ไฮโดรเจนไฮโดรเจนถูกแยกส่วนอย่างสมบูรณ์ในส่วนขององค์ประกอบ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงและความกดอากาศต่ำเราเรียกพลาสมานี้ว่า - สิ่งเดียวกับดวงอาทิตย์หรือสายฟ้า
แต่ในระดับความลึกของดาวพฤหัสบดีแรงกดดันทำให้ไฮโดรเจนมีพฤติกรรมแตกต่างจากพลาสมามาก แต่จะมีคุณสมบัติคล้ายกับโลหะมากกว่า ดังนั้น: ไฮโดรเจนโลหะเหลว
องค์ประกอบส่วนใหญ่ในตารางธาตุเป็นโลหะพวกมันแข็งและเงางามและทำสำหรับตัวนำไฟฟ้าที่ดี องค์ประกอบได้รับคุณสมบัติเหล่านั้นจากการจัดเรียงที่พวกเขาทำด้วยตัวเองที่อุณหภูมิและความดันปกติ: พวกมันเชื่อมโยงกันเพื่อก่อตัวเป็นตาข่ายและแต่ละอิเล็กตรอนจะบริจาคหนึ่งหรือหลายอิเล็กตรอนไปยังหม้อชุมชน อิเล็กตรอนที่แยกตัวออกเหล่านี้จะเคลื่อนที่อย่างอิสระกระโดดจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมตามที่ต้องการ
หากคุณนำแท่งทองคำมาหลอมให้ละลายคุณยังคงได้รับประโยชน์จากการแบ่งปันอิเล็กตรอนของโลหะ (ยกเว้นความแข็ง) ดังนั้น "โลหะเหลว" ไม่ใช่แนวคิดที่ต่างประเทศ และองค์ประกอบบางอย่างที่ไม่ใช่โลหะเช่นคาร์บอนสามารถใช้คุณสมบัติเหล่านั้นภายใต้ข้อตกลงหรือเงื่อนไขบางอย่าง
ดังนั้นในตอนแรกหน้าแดง "ไฮโดรเจนโลหะ" ไม่ควรแปลกใจความคิด: มันเป็นเพียงองค์ประกอบ nonmetallic ที่เริ่มทำตัวเป็นโลหะที่อุณหภูมิสูงและแรงกดดัน [ไฮโดรเจนที่ทำจากโลหะ 'ในแล็บสามารถปฏิวัติเชื้อเพลิงจรวดได้]
เมื่อเสื่อมสภาพให้เสื่อมสภาพเสมอ
เอะอะใหญ่คืออะไร?
เอะอะใหญ่คือไฮโดรเจนที่เป็นโลหะไม่ใช่โลหะทั่วไป โลหะหลากหลายในสวนมีตาข่ายไอออนพิเศษที่ฝังอยู่ในทะเลของอิเล็กตรอนลอยตัว แต่อะตอมไฮโดรเจนที่ถูกดึงลงมาเป็นเพียงโปรตอนเดียวและไม่มีอะไรที่โปรตอนสามารถทำได้เพื่อสร้างตาข่าย
เมื่อคุณบีบแท่งโลหะคุณจะพยายามบังคับให้ไอออนที่เชื่อมต่อกันเข้าใกล้กันมากขึ้นซึ่งพวกมันเกลียดอย่างแน่นอน แรงขับไฟฟ้าสถิตให้การสนับสนุนทั้งหมดที่โลหะจะต้องมีความแข็งแรง แต่โปรตอนลอยอยู่ในของเหลว? ที่ควรจะง่ายขึ้นมากที่จะ squish ไฮโดรเจนโลหะเหลวในดาวพฤหัสบดีจะสนับสนุนน้ำหนักการบดอัดของชั้นบรรยากาศได้อย่างไร?
คำตอบคือความดันที่ลดลงซึ่งเป็นมุมแหลมเชิงกลของควอนตัมภายใต้สภาวะที่รุนแรง นักวิจัยคิดว่าสภาวะที่อาจพบมากในสภาพแวดล้อมที่แปลกใหม่และรุนแรงเช่นดาวแคระขาวและดาวนิวตรอน แต่ปรากฎว่าเรามีตัวอย่างที่ถูกต้องในสวนหลังบ้านแสงอาทิตย์ของเรา แม้เมื่อแรงแม่เหล็กไฟฟ้าถูกครอบงำอนุภาคที่เหมือนกันเช่นอิเล็กตรอนสามารถบีบให้แน่นเข้าด้วยกันเท่านั้น
กล่าวอีกนัยหนึ่งอิเล็กตรอนจะไม่แบ่งระดับพลังงานเท่ากันซึ่งหมายความว่าพวกมันจะซ้อนกันอยู่เสมอไม่เคยเข้าใกล้แม้ว่าคุณจะบีบอย่างหนักจริงๆ
อีกวิธีในการดูสถานการณ์คือหลักการความไม่แน่นอนที่เรียกว่าไฮเซนเบิร์ก: หากคุณพยายามตรึงตำแหน่งของอิเล็กตรอนโดยกดลงที่ความเร็วนั้นอาจมีขนาดใหญ่มากทำให้เกิดแรงกดดันที่ต่อต้านการบีบอัดต่อไป
ดังนั้นการตกแต่งภายในของดาวพฤหัสบดีจึงแปลกอย่างแน่นอน - ซุปของโปรตอนและอิเล็กตรอนซึ่งถูกความร้อนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์ได้รับความกดดันมากกว่าที่อยู่บนโลกเป็นล้านเท่าและถูกบังคับให้เปิดเผยธรรมชาติควอนตัมที่แท้จริงของมัน
เรียนรู้เพิ่มเติมโดยการฟังตอน "มีอะไรในโลกคือไฮโดรเจนโลหะ?" ทาง Podcast ของ Ask A Spaceman มีอยู่ใน iTunes และบนเว็บที่ askaspaceman.com ขอบคุณ Tom S. , @Upguntha, Andres C. , และ Colin E. สำหรับคำถามที่นำไปสู่งานชิ้นนี้! ถามคำถามของคุณเองใน Twitter โดยใช้ #AskASpaceman หรือทำตาม [email protected]/PaulMattSutter
