Di bawah puncak awan Musytari yang berpusing, hidrogen unsur biasa wujud dalam keadaan yang sangat pelik.
(Imej: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University dan ketua saintis di pusat sains COSI. Sutter juga menjadi tuan rumah Ask a Spaceman and Space Radio, dan memimpin AstroTours di seluruh dunia. Sutter menyumbangkan artikel ini kepada Pakar Suara Space.com: Op-Ed & Wawasan.
Padu. Cecair Gas. Bahan-bahan yang mengelilingi kita dalam dunia biasa kita sehari-hari dibahagikan kepada tiga kem yang kemas. Panaskan kubus air yang padat (alias ais), dan apabila mencapai suhu tertentu, fasa berubah menjadi cecair. Terus menghidupkan api, dan akhirnya, anda akan mempunyai gas: wap air.
Setiap elemen dan molekul mempunyai "rajah fasa" tersendiri, peta apa yang seharusnya anda harapkan jika anda menggunakan suhu dan tekanan tertentu. Gambar rajah itu unik bagi setiap elemen kerana bergantung pada susunan atom / molekul yang tepat dan bagaimana ia berinteraksi dengan dirinya sendiri dalam pelbagai keadaan, jadi terserah para saintis untuk menggambar rajah ini melalui eksperimen yang sukar dan teori yang teliti. [Kisah Angkasa Aneh 2017)
Ketika datang ke hidrogen, kita biasanya tidak menjumpainya sama sekali, kecuali ketika ia dibekalkan dengan oksigen untuk membuat air yang lebih biasa. Walaupun kita mendapatkannya sendirian, rasa malunya menghalangnya daripada berinteraksi dengan kita sendiri - ia berpasangan sebagai molekul diatomik, hampir selalu sebagai gas. Sekiranya anda memerangkap sebotol dan menarik suhu hingga 33 kelvin (minus 400 darjah Fahrenheit, atau minus 240 darjah Celsius), hidrogen menjadi cecair, dan pada suhu 14 K (minus 434 darjah F atau minus 259 darjah C), ia menjadi pepejal.
Anda akan berfikir bahawa di seberang skala suhu, gas hidrogen panas akan kekal ... gas panas. Dan itu benar, selagi tekanan tetap rendah. Tetapi gabungan suhu tinggi dan tekanan tinggi membawa kepada beberapa tingkah laku yang menarik.
Penyelaman mendalam Jovian
Di Bumi, seperti yang kita lihat, tingkah laku hidrogen adalah mudah. Tetapi Musytari bukan Bumi, dan hidrogen yang banyak terdapat di dalam dan di bawah pita hebat dan ribut atmosfera yang berputar dapat ditolak melebihi had normalnya.
Dikuburkan jauh di bawah permukaan yang dapat dilihat di planet ini, tekanan dan suhu meningkat secara mendadak, dan hidrogen gas perlahan-lahan memberi laluan kepada lapisan hibrid cair-gas superkritikal. Oleh kerana keadaan yang melampau ini, hidrogen tidak dapat menetap ke keadaan yang dapat dikenali. Terlalu panas untuk kekal cair tetapi di bawah tekanan terlalu banyak untuk mengapung bebas sebagai gas - ini adalah keadaan baru.
Turun lebih dalam, dan semakin pelik.
Walaupun dalam keadaan hibrid dalam lapisan nipis di bawah puncak awan, hidrogen masih melambung sebagai molekul diatom dua-untuk-satu. Tetapi pada tekanan yang mencukupi (katakanlah, satu juta kali lebih kuat daripada tekanan udara Bumi di permukaan laut), bahkan ikatan persaudaraan itu tidak cukup kuat untuk menahan tekanan yang luar biasa, dan mereka tersentak.
Hasilnya, di bawah kira-kira 8,000 batu (13,000 km) di bawah puncak awan, adalah gabungan nukleus hidrogen bebas - yang hanya proton tunggal - yang bercampur dengan elektron bebas. Bahan itu kembali ke fasa cair, tetapi apa yang menjadikan hidrogen hidrogen kini sepenuhnya dipisahkan ke bahagian komponennya. Apabila ini berlaku pada suhu yang sangat tinggi dan tekanan rendah, kita menyebutnya sebagai plasma - barang yang sama dengan sebahagian besar cahaya matahari atau kilat.
Tetapi di kedalaman Musytari, tekanan memaksa hidrogen berperilaku jauh berbeza daripada plasma. Sebaliknya, ia mengambil sifat yang lebih serupa dengan logam. Oleh itu: hidrogen logam cecair.
Sebilangan besar elemen pada jadual berkala adalah logam: Mereka keras dan berkilat, dan membuat konduktor elektrik yang baik. Unsur-unsur tersebut memperoleh sifat-sifat tersebut dari susunan yang mereka buat sendiri pada suhu dan tekanan normal: Mereka menghubungkan untuk membentuk kisi, dan masing-masing menyumbangkan satu atau lebih elektron ke periuk masyarakat. Elektron-elektron terasing ini berkeliaran bebas, melompat dari atom ke atom sesuka hati.
Sekiranya anda mengambil sebatang emas dan mencairkannya, anda masih mempunyai semua faedah perkongsian elektron logam (kecuali kekerasan), jadi "logam cair" bukanlah konsep yang asing. Dan beberapa elemen yang biasanya bukan logam, seperti karbon, boleh mengambil sifat tersebut dalam keadaan atau keadaan tertentu.
Jadi, pada mulanya, "hidrogen logam" bukanlah idea yang pelik: Ia hanya unsur bukan logam yang mula bertindak sebagai logam pada suhu dan tekanan tinggi. [Hidrogen Logam Buatan Makmal Dapat Merevolusikan Bahan Bakar Roket]
Sekali merosot, selalu merosot
Apa keributan besar?
Keributan besar ialah hidrogen logam bukan logam biasa. Logam pelbagai kebun mempunyai kisi ion khas yang tertanam di lautan elektron terapung bebas. Tetapi atom hidrogen yang dilucutkan hanyalah proton tunggal, dan tidak ada yang dapat dilakukan oleh proton untuk membina kisi.
Apabila anda menekan besi, anda cuba memaksa ion yang saling bertaut lebih dekat, yang sangat mereka benci. Tolakan elektrostatik memberikan semua sokongan yang mesti kuat oleh logam. Tetapi proton digantung dalam cecair? Itu semestinya jauh lebih mudah untuk dihancurkan. Bagaimanakah hidrogen logam cecair di dalam Musytari dapat menampung berat atmosfer yang menghancurkan di atasnya?
Jawapannya adalah tekanan degenerasi, suatu masalah mekanikal kuantum jirim dalam keadaan melampau. Para penyelidik berpendapat keadaan yang melampau hanya dapat dijumpai di lingkungan eksotis, ultradense seperti kerdil putih dan bintang neutron, tetapi ternyata kita mempunyai contoh tepat di halaman belakang solar kita. Walaupun daya elektromagnetik dibanjiri, zarah-zarah yang serupa seperti elektron hanya dapat diperas dengan rapat - mereka enggan berkongsi keadaan mekanik kuantum yang sama.
Dengan kata lain, elektron tidak akan pernah berkongsi tahap tenaga yang sama, yang bermaksud mereka akan terus menumpuk di atas satu sama lain, tidak akan semakin dekat, walaupun anda memerah dengan sangat kuat.
Cara lain untuk melihat keadaannya adalah melalui prinsip ketidaktentuan Heisenberg yang disebut: Sekiranya anda cuba menjatuhkan kedudukan elektron dengan mendorongnya, halaju dapat menjadi sangat besar, menghasilkan kekuatan tekanan yang tidak terus menekan.
Oleh itu, bahagian dalam Musytari memang aneh - sup proton dan elektron, yang dipanaskan hingga suhu lebih tinggi daripada permukaan matahari, mengalami tekanan sejuta kali lebih kuat daripada yang ada di Bumi, dan terpaksa mengungkapkan sifat kuantum sebenarnya.
Ketahui lebih lanjut dengan mendengar episod "Apa di dunia hidrogen logam?" pada podcast Ask A Spaceman, tersedia di iTunes dan di web di askaspaceman.com. Terima kasih kepada Tom S., @Upguntha, Andres C., dan Colin E. untuk soalan yang membawa kepada karya ini! Tanyakan soalan anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti [email protected]/PaulMattSutter.
