מתחת לראש צמרות הענן של יופיטר, היסוד המשותף מימן קיים במצב מוזר מאוד.
(תמונה: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
פול סוטר הוא אסטרופיסיקאי מאוניברסיטת אוהיו ומדען הראשי במרכז המדע COSI. סאטר הוא גם המארח של Ask a Spaceman ו- Radio Space, ומוביל את AstroTours ברחבי העולם. סאטר תרם מאמר זה לקולות המומחים של Space.com: Op-Ed & Insights.
מוצק. נוזל. גז. החומרים שמקיפים אותנו בעולמנו הרגיל והיומיומי נחלקים לשלושה מחנות מסודרים. מחממים קוביית מים מוצקה (aka קרח), וכשהוא מגיע לטמפרטורה מסוימת הוא משנה שלבים לנוזל. המשך לסובב את החום, ובסופו של דבר יהיה לך גז: אדי מים.
לכל יסוד ומולקולה יש "דיאגרמת פאזות" משלה, מפה של מה שעליכם לצפות להיתקל אם תפעילו עליה טמפרטורה ולחץ ספציפיים. התרשים ייחודי לכל אחד מהיסודות, מכיוון שהוא תלוי בסידור האטומי / מולקולרי המדויק ובאופן בו הוא מתקשר עם עצמו בתנאים שונים, ולכן על המדענים להקניט את הדיאגרמות הללו באמצעות ניסויים מפרכים ותיאוריה זהירה. [סיפורי החלל הכי מוזרים של 2017]
כשמדובר במימן, בדרך כלל אנו לא נתקלים בו כלל, אלא כאשר הוא מכוסה חמצן כדי להפוך את המים המוכרים יותר. אפילו כשאנחנו משיגים את זה על ידי בדידות, הביישנות שלו מונעת ממנו לתקשר איתנו בלבד - היא מזדווגת כמולקולה דיאטומית, כמעט תמיד כגז. אם אתה לוכד כמה בבקבוק ומוריד את הטמפ ל 33 קלווינים (מינוס 400 מעלות פרנהייט, או מינוס 240 מעלות צלזיוס), מימן הופך לנוזל, וב- 14 K (מינוס 434 מעלות או מינוס 259 מעלות צלזיוס), זה הופך למוצק.
הייתם חושבים שבקצה הנגדי של סולם הטמפרטורות, גז חם של מימן יישאר… גז חם. וזה נכון, כל עוד הלחץ נשמר נמוך. אבל השילוב של טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה מוביל לכמה התנהגויות מעניינות.
צלילות עמוקות של ג'וביאן
על פני כדור הארץ, כפי שראינו, התנהגות המימן היא פשוטה. אבל צדק אינו כדור הארץ, והימן שנמצא בשפע בתוך הלהקות הגדולות ומתחת לסערות האטמוספירה שלו ניתן לדחוף את גבולותיו הרגילים.
קבור עמוק מתחת לפני השטח הגלוי של הכוכב, הלחצים והטמפרטורה עולים באופן דרמטי, והמימן הגזי מפנה לאט לאט לשכבה של היברידית נוזלית גז סופר-קריטית. בשל תנאים קיצוניים אלה, המימן אינו יכול להתיישב במצב מזוהה. חם מכדי להישאר נוזל אבל בלחץ רב מדי כדי לצוף בחופשיות כמו גז - זה מצב חדש של חומר.
רדו עמוק יותר וזה נהיה זר יותר.
אפילו במצבו ההיברידי בשכבה דקה ממש מתחת לראש צמרות הענן, מימן עדיין מקפץ כמולקולה דו-אטומית אחת. אבל בלחצים מספקים (נניח, חזק פי מיליון מלחץ האוויר של כדור הארץ בגובה הים), אפילו אותם קשרים אחווה אינם חזקים מספיק כדי להתנגד ללחיצות המדהימים והם נצמדים.
התוצאה, מתחת לכ- 8,000 מיילים (13,000 ק"מ) מתחת לצמרות העננים, היא תערובת כאוטית של גרעיני מימן חופשיים - שהם רק פרוטונים בודדים - מעורבבים עם אלקטרונים משוחררים. החומר חוזר לשלב נוזלי, אך מה שהופך את המימן למימן מנותק כעת לחלוטין לחלקיו המרכיבים. כאשר זה קורה בטמפרטורות גבוהות מאוד ובלחצים נמוכים, אנו קוראים לזה פלזמה - אותם דברים כמו עיקר השמש או בורג.
אבל במעמקי יופיטר, הלחצים מאלצים את המימן להתנהג בצורה שונה בהרבה מפלסמה. במקום זאת, הוא מקבל תכונות דומות יותר לאלו של מתכת. מכאן: מימן מתכתי נוזלי.
רוב האלמנטים בטבלה המחזורית הם מתכות: הם קשים ומבריקים, ומייצרים מוליכים חשמליים טובים. האלמנטים מקבלים את התכונות האלה מהסידור שהם עושים עם עצמם בטמפרטורות ולחצים רגילים: הם מתחברים ליצירת סריג, וכל אחד תורם אלקטרונית אחת או יותר לסיר הקהילה. האלקטרונים המנותקים האלה מסתובבים בחופשיות, ומדלגים מאטום לאטום כרצונם.
אם אתה לוקח פס זהב וממיס אותו, עדיין יש לך את כל היתרונות של שיתוף האלקטרונים של מתכת (למעט הקשיות), כך ש"מתכת נוזלית "היא לא כל כך מושג זר. וכמה אלמנטים שאינם בדרך כלל מתכתיים, כמו פחמן, יכולים לקבל על עצמם תכונות בתנאים או בתנאים מסוימים.
אז בהתחלה, הסומק, "מימן מתכתי" לא אמור להיות רעיון מוזר כל כך: זה רק אלמנט לא מתכתי שמתחיל להתנהג כמתכת בטמפרטורות ולחצים גבוהים. [מימן מתכתי "מתוצרת מעבדה" עשוי לחולל מהפכה בדלק הרקטות]
פעם מנוון, תמיד מנוון
מה המהומה הגדולה?
המהומה הגדולה היא שמימן מתכתי אינו מתכת טיפוסית. למתכות שונות בגינה יש סריג מיוחד של יונים המשובצים בים של אלקטרונים צפים חופשיים. אבל אטום מימן שהופשט הוא רק פרוטון בודד, ואין שום דבר שפרוטון יכול לעשות כדי לבנות סריג.
כשאתה לוחץ על מוט מתכת אתה מנסה לכפות את היונים השזורים קרוב יותר זה לזה שהם בהחלט שונאים. דחייה אלקטרוסטטית מספקת את כל התמיכה שמתכת צריכה להיות חזקה. אבל פרוטונים תלויים בנוזל? זה אמור להיות הרבה יותר קל לסחוט. כיצד יכול המימן המתכתי הנוזל בתוך יופיטר לתמוך במשקל המוחץ של האטמוספרה שמעליו?
התשובה היא לחץ ניוון, מצחיק מכני של חומר בתנאים קיצוניים. החוקרים חשבו כי תנאים קיצוניים עשויים להימצא רק בסביבות אקזוטיות, אולטרה-סנסיות כמו גמדים לבנים וכוכבי נויטרונים, אך מסתבר שיש לנו דוגמא ממש בחצר האחורית השמש שלנו. אפילו כאשר הכוחות האלקטרומגנטיים מוצפים, ניתן לסחוט חלקיקים זהים כמו אלקטרונים זה לזה כל כך חזק - הם מסרבים לחלוק את אותו מצב מכני קוונטי.
במילים אחרות, אלקטרונים לעולם לא יחלקו את אותה רמת אנרגיה, מה שאומר שהם ימשיכו להיערם זה על זה, לעולם לא יתקרבו, אפילו אם תלחצו ממש ממש חזק.
דרך נוספת להסתכל על המצב היא באמצעות עיקרון הוודאות של הייזנברג: אם אתה מנסה להצמיד את מיקום האלקטרון על ידי לחיצה עליו, מהירותו יכולה להפוך לגדולה מאוד, וכתוצאה מכך כוח לחץ המתנגד לסחיטה נוספת.
אז פנים יופיטר מוזר אכן - מרק של פרוטונים ואלקטרונים, שחומם לטמפרטורות גבוהות יותר משטח השמש, כשהוא סובל מלחצים חזקים פי מיליון מאלו על כדור הארץ, ונאלצים לחשוף את טבעם הקוונטי האמיתי.
למידע נוסף על ידי האזנה לפרק "מה בעולם מימן מתכתי?" בפודקאסט Ask A Spaceman, זמין ב- iTunes ובאינטרנט באתר askaspaceman.com. תודה לתום ס ', @Upguntha, אנדרס C. וקולין אי על השאלות שהובילו ליצירה הזו! שאל את השאלה שלך בטוויטר באמצעות #AskASpaceman או על ידי עקוב אחר [email protected]/PaulMattSutter.
