Under Jupiters virvlande molntoppar finns det vanliga elementet väte i ett mycket konstigt tillstånd.
(Bild: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter är en astrofysiker vid Ohio State University och chefsforskare vid COSI Science Center. Sutter är också värd för Ask a Spaceman och Space Radio och leder AstroTours runt om i världen. Sutter bidrog med denna artikel till Space.com: s expertröster: Op-Ed & Insights.
Fast. Flytande. Gas. Materialen som omger oss i vår normala, vardagliga värld är indelade i tre snygga läger. Värm upp en fast kub med vatten (aka is) och när den når en viss temperatur ändrar den faser till en vätska. Fortsätt svepa värmen, och så småningom har du en gas: vattenånga.
Varje element och molekyl har sitt eget "fasdiagram", en karta över vad du bör förvänta dig att möta om du tillämpar en specifik temperatur och tryck på det. Diagrammet är unikt för varje element eftersom det beror på det exakta atom / molekylära arrangemanget och hur det interagerar med sig själv under olika förhållanden, så det är upp till forskarna att reta ut dessa diagram genom svår experiment och noggrann teori. [De konstigaste rymdberättelserna från 2017]
När det gäller väte, möter vi det inte alls, förutom när det samlas med syre för att göra det mer bekanta vattnet. Även när vi får det ensamt, förhindrar dess blyghet den att interagera med oss ensam - den parar sig som en diatomisk molekyl, nästan alltid som en gas. Om du fångar lite i en flaska och drar temp till 33 kelvin (minus 400 grader Fahrenheit, eller minus 240 grader Celsius), blir väte en vätska, och vid 14 K (minus 434 grader F eller minus 259 grader C) blir det väte blir ett fast.
Du skulle tro att i motsatt ände av temperaturskalan skulle en varm vätegas förbli ... en varm gas. Och det är sant, så länge trycket hålls lågt. Men kombinationen av hög temperatur och högt tryck leder till några intressanta beteenden.
Joviska djupa dyk
På jorden, som vi har sett, är vätgas beteende enkelt. Men Jupiter är inte jorden, och väte som finns i överflöd inom och under de stora banden och virvlande stormar av dess atmosfär kan skjutas utöver dess normala gränser.
Begravd djupt under planetens synliga yta, trycket och temperaturen stiger dramatiskt, och det gasformiga väte ger långsamt plats för ett lager av superkritisk gas-vätskehybrid. På grund av dessa extrema förhållanden kan väte inte sätta sig i ett igenkännbart tillstånd. Det är för varmt att förbli en vätska men under för mycket tryck för att flyta fritt som en gas - det är ett nytt tillstånd.
Stig ner djupare och det blir ännu främre.
Även i sitt hybridtillstånd i ett tunt skikt strax under molntopparna studs väte fortfarande runt som en två-för-en diatomisk molekyl. Men vid tillräckligt med tryck (säg en miljon gånger mer intensiv än jordens lufttryck vid havsnivån), är inte ens de broderliga bindningarna tillräckligt starka för att motstå de överväldigande kompressionerna, och de knäpps.
Resultatet, under ungefär 8 000 mil (13 000 km) under molntopparna, är en kaotisk blandning av fria vätekärnor - som bara är enstaka protoner - blandade med frigjorda elektroner. Ämnet återgår till en flytande fas, men vad som gör väte väte är nu helt disassociated till dess komponentdelar. När detta händer vid mycket höga temperaturer och låga tryck, kallar vi detta en plasma - samma grejer som solen eller en blixt.
Men i djupet av Jupiter tvingar trycket väte till att bete sig mycket annorlunda än en plasma. Istället tar det på egenskaper som är mer besläktade med metallens. Därför: flytande metallväte.
De flesta av elementen på det periodiska bordet är metaller: De är hårda och glänsande och gör för goda elektriska ledare. Elementen får dessa egenskaper från arrangemanget de gör med sig själva vid normala temperaturer och tryck: De kopplas upp för att bilda ett gitter, och var och en donerar en eller flera elektroner till samhällskruven. Dessa dissocierade elektroner strövar fritt och hoppar från atom till atom som de vill.
Om du tar en guldstång och smälter den, har du fortfarande alla fördelar med elektronisk delning av en metall (utom hårdheten), så "flytande metall" är inte så utländskt koncept. Och vissa element som normalt inte är metalliska, som kol, kan ta på sig dessa egenskaper under vissa arrangemang eller förhållanden.
Så vid första rodnen bör "metalliskt väte" inte vara så konstigt en idé: Det är bara ett icke-metalliskt element som börjar bete sig som en metall vid höga temperaturer och tryck. [Lab-Made "Metallic Hydrogen" skulle kunna revolutionera raketbränsle]
En gång en degenererad, alltid en degenererad
Vad är det stora väsen?
Det stora väsen är att metalliskt väte inte är en typisk metall. Trädgårdsvariantmetaller har det speciella gitteret av joner inbäddade i ett hav av fritt flytande elektroner. Men en nedmonterad väteatom är bara en enda proton, och det finns inget som en proton kan göra för att bygga ett gitter.
När du klämmer på en metallstång försöker du tvinga de sammanlåsta jonerna närmare varandra, vilket de absolut hatar. Elektrostatisk avstötning ger allt stöd som en metall behöver för att vara stark. Men protoner upphängda i en vätska? Det borde vara mycket lättare att kliva. Hur kan det flytande metallväte inuti Jupiter stödja krossvikten i atmosfären ovanför?
Svaret är degenerationstryck, en kvantmekanisk fråga om materien under extrema förhållanden. Forskare trodde förhållanden som extremt bara kan hittas i exotiska, ultradense miljöer som vita dvärgar och neutronstjärnor, men det visar sig att vi har ett exempel rätt i vår solterrass. Även när elektromagnetiska krafter överväldigas, kan identiska partiklar som elektroner bara pressas så tätt samman - de vägrar att dela samma kvantmekaniska tillstånd.
Med andra ord kommer elektroner aldrig att dela samma energinivå, vilket innebär att de kommer att hålla sig högt ovanpå varandra och aldrig komma närmare, även om du klämmer riktigt, riktigt hårt.
Ett annat sätt att titta på situationen är via den så kallade Heisenberg-osäkerhetsprincipen: Om du försöker klämma fast en elektrons position genom att trycka på den kan dess hastighet bli mycket stor, vilket resulterar i en tryckkraft som motstår ytterligare klämma.
Så Jupiters inre är verkligen konstigt - en soppa av protoner och elektroner, uppvärmd till temperaturer högre än solens yta, med lidande påtryckningar en miljon gånger starkare än de på jorden, och tvingas avslöja deras verkliga kvantnaturer.
Läs mer genom att lyssna på avsnittet "Vad i världen är metalliskt väte?" på Ask A Spaceman-podcast, tillgänglig på iTunes och på webben på askaspaceman.com. Tack till Tom S., @Upguntha, Andres C. och Colin E. för frågorna som ledde till det här stycket! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa [email protected]/PaulMattSutter.
