Что во Вселенной есть металлический водород?
Твердое состояние. Жидкость. Газ.
Вещества, которые окружают нас в нашем обычном, повседневном мире, делятся на три аккуратных лагеря. Нагрейте куб твердой воды (aka ice), и когда он достигнет определенной температуры, он перейдет в фазу жидкости. Продолжайте увеличивать тепло, и, в конце концов, у вас будет газ: водный пар.
Под вершинами вулканического облака Юпитера общий элемент водорода существует в очень странном состоянии. © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto/NASA/SwRI/MSSS
Каждый элемент и молекула имеют свою "фазовую диаграмму", карту ожидаемого состояния, при определенной температуре и давлении. Диаграмма уникальна для каждого элемента, поскольку зависит от точной атомно-молекулярной компоновки и того, как он взаимодействует с самим собой в различных условиях, поэтому ученым нужно проверять их посредством трудных экспериментов и тщательной теории.
Когда речь заходит о водороде, мы обычно не сталкиваемся с этим вопросом вообще, за исключением случаев, когда он "входит в содружество" с кислородом, для образования более привычной воды. Даже когда мы получаем его "одиноким", его "застенчивость" мешает ему взаимодействовать с нами в одиночку - он "кооперируется"как двухатомная молекула, почти всегда как газ. Если вы "заманите его в бутылку" и понизите температуру до 33 кельвинов (минус 400 градусов по Фаренгейту или минус 240 градусов Цельсия), водород станет жидким, а при 14 К (минус 434 градуса F или минус 259 градусов C) его структура становится твердой.
Вы могли бы подумать, что на противоположном конце температурной шкалы горячий газ водорода останется ... горячим газом. И это правда, если давление будет низким. Но сочетание высокой температуры и высокого давления приводит к определенно интересному поведению.
Юпитер. Глубокое погружение
На Земле, как мы видим, поведение водорода простое. Но Юпитер - это не Земля и водород, найденный в изобилии внутри и под большими вереницами вьющихся штормов его атмосферы, может быть вытеснен за пределы своего обычного состояния.
Глубоко погруженный ниже видимой поверхности планеты, где давление и температура резко возрастают, газообразный водород медленно уступает место слою сверхкритического газожидкостного гибрида. Из-за этих экстремальных условий водород не может закрепиться в узнаваемом состоянии. Слишком высокие температуры, чтобы оставаться жидкостью, и слишком большое давление, чтобы свободно плавать в качестве газа - это новое состояние материи.
Погрузитесь глубже и это становится еще более странным.
Даже в своем гибридном состоянии в тонком слое, расположенном под вершинами облаков, водород все еще энергичен, как "два-в-одном" двухатомная молекула. Но при достаточном давлении (скажем, в миллион раз более интенсивном, чем давление воздуха на Земле на уровне моря) даже те "братские" связи недостаточно сильны, чтобы противостоять ошеломляющему давлению и они рвутся.
В результате, ниже примерно 13 000 км под вершинами облаков, находиться хаотическая смесь свободных ядер водорода, которые представляют собой только одиночные протоны, смешанные с освобожденными электронами. Вещество возвращается к жидкой фазе, но водород теперь полностью диссоциируется на составные части. Когда это происходит при очень высоких температурах и низких давлениях, мы называем это плазмой - тем же самым веществом, что и основная часть солнца или молнии.
Но в глубинах Юпитера давление приводит к тому, что водород ведет себя немного не так, как плазма. Вместо этого он приобретает свойства, более похожие на свойства металла. Следовательно: это жидкий металлический водород.
Это металл
©pixabay
Большинство элементов на периодической таблице - металлы: они твердые и блестящие, и обеспечивают хорошую электрическую проводимость. Элементы получают эти свойства из-за того, что они упорядочивают себя при нормальных температурах и давлениях: они соединяются, образуя решетку, и каждый жертвует один или несколько электронов в "общий горшок". Эти диссоциированные электроны свободно перемещаются, прыгая от атома к атому, как им заблагорассудится.
Если вы возьмете стержень золота и расплавите его, у вас все еще будут все преимущества электронного обмена свойственного металлу (кроме твердости), поэтому "жидкий металл" - это не вся инопланетная концепция. И некоторые элементы, которые обычно не являются металлическими, например, углерод, могут использовать эти свойства при определенных воздействиях или условиях.
Итак, на первый взгляд, "металлический водород" не должен быть такой странной идеей: это просто неметаллический элемент, который начинает вести себя как металл при высоких температурах и давлениях.
Однажды выродившийся, всегда выродившийся
К чему же такая большая суета?
Значительная проблема состоит в том, что металлический водород не является типичным металлом. У разнородных металлов есть специальная решетка ионов, встроенных в море свободноплавающих электронов. Но урезанный атом водорода - это всего лишь один протон, и нет ничего, чтобы он смог построить решетку.
Когда вы сжимаете металлический стержень, вы пытаетесь сблизить блокирующие ионы, что они абсолютно "ненавидят". Электростатическое отталкивание обеспечивает всю свою поддержку, чтобы металл был прочным. Но протоны подвешены (суспензированы) в жидкости? Ее должно быть намного легче раздавить. Как жидкий металлический водород внутри Юпитера опирается сокрушительному весу атмосферы над ним?
Ответ - это давление вырождения, квантово-механическая причудливая форма вещества в экстремальных условиях. Исследователи считали, что такая крайность может быть найдена только в экзотических, сверхплотных средах, таких как белые карлики и нейтронные звезды, но оказывается, что у нас есть пример, прямо на нашем "заднем дворе" Солнечной системы. Даже когда электромагнитные силы перегружены, одинаковые частицы, такие как электроны, могут быть сжаты вместе так плотно - что они отказываются разделять одно и то же квантовомеханическое состояние.
Другими словами, электроны никогда не будут разделять один и тот же уровень энергии, а это означает, что они будут накапливаться друг на друге, никогда не приближаясь, даже при очень сильном давлении.
Другой способ взглянуть на ситуацию - через так называемый принцип неопределенности Гейзенберга: если вы попытаетесь зафиксировать положение электрона, нажав на него, его скорость может стать очень большой, что приведет к силе давления, которая сопротивляется дальнейшему сжатию.
Итак, интерьер Юпитера довольно странен - это суп из протонов и электронов, нагретый до температур выше, чем у поверхности Солнца, испытывающий давление в миллионы раз сильнее, чем на Земле, чем вынужден обнаруживать их истинную квантовую природу.
перевод @vako для сообщества @vp-cosmos