تحت قمم السحب الدوامية للمشتري ، يوجد عنصر الهيدروجين المشترك في حالة غريبة جدًا.
(الصورة: © Lella Erceg، Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
بول سوتر عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية أوهايو وكبير العلماء في مركز علوم COSI. Sutter هو أيضًا مضيف لـ Ask a Spaceman and Space Radio ، ويقود AstroTours حول العالم. ساهم سوتر بهذا المقال في أصوات خبراء Space.com: Op-Ed & Insights.
صلب. سائل. غاز. تنقسم المواد التي تحيط بنا في عالمنا اليومي العادي إلى ثلاثة معسكرات أنيقة. سخن مكعبًا صلبًا من الماء (يعرف أيضًا بالجليد) ، وعندما يصل إلى درجة حرارة معينة ، يتحول أطواره إلى سائل. استمر في تحريك الحرارة ، وفي النهاية ، سيكون لديك غاز: بخار الماء.
كل عنصر وجزيء له "مخطط طور" خاص به ، خريطة لما يجب أن تتوقع مواجهته إذا قمت بتطبيق درجة حرارة وضغط معينين عليه. الرسم التخطيطي فريد لكل عنصر لأنه يعتمد على الترتيب الذري / الجزيئي الدقيق وكيف يتفاعل مع نفسه في ظل ظروف مختلفة ، لذلك الأمر متروك للعلماء لإثارة هذه المخططات من خلال التجارب الشاقة والنظرية الدقيقة. [أغرب قصص الفضاء لعام 2017]
عندما يتعلق الأمر بالهيدروجين ، فإننا عادة لا نواجهه على الإطلاق ، إلا عندما يكون مملوءًا بالأكسجين لجعل الماء أكثر شيوعًا. حتى عندما نحصل عليها بمفردها ، فإن خجولها يمنعها من التفاعل معنا وحدنا - تتشكل كجزيء ثنائي الذرة ، تقريبًا كغاز. إذا احتجزت البعض في زجاجة وسحبت درجة الحرارة إلى 33 درجة كلفن (ناقص 400 درجة فهرنهايت أو ناقص 240 درجة مئوية) ، يصبح الهيدروجين سائلًا ، وعند 14 كلفن (ناقص 434 درجة فهرنهايت أو ناقص 259 درجة مئوية) ، يصبح صلبًا.
قد تعتقد أنه على الطرف الآخر من مقياس درجة الحرارة ، سيبقى غاز ساخن من الهيدروجين ... غازًا ساخنًا. وهذا صحيح ، طالما ظل الضغط منخفضًا. لكن الجمع بين درجات الحرارة المرتفعة والضغط العالي يؤدي إلى بعض السلوكيات المثيرة للاهتمام.
الغوص العميق لجوفيان
على الأرض ، كما رأينا ، فإن سلوك الهيدروجين واضح ومباشر. لكن المشتري ليس الأرض ، والهيدروجين الموجود بكثرة داخل وتحت العصابات الكبيرة والعواصف الدوامية في الغلاف الجوي يمكن دفعه إلى ما وراء حدوده الطبيعية.
مدفونًا عميقًا تحت سطح الكوكب المرئي ، والضغوط ودرجة الحرارة ترتفع بشكل كبير ، والهيدروجين الغازي يفسح المجال ببطء لطبقة من الهجين السائل بالغاز فوق الحرج. بسبب هذه الظروف القاسية ، لا يمكن أن يستقر الهيدروجين في حالة معروفة. إنه ساخن للغاية بحيث لا يبقى سائلًا ولكن تحت ضغط كبير ليطفو بحرية كغاز - إنها حالة جديدة من المادة.
النزول أعمق ، ويصبح الأمر أكثر غرابة.
حتى في حالته الهجينة في طبقة رقيقة أسفل قمم الغيوم ، لا يزال الهيدروجين يرتد كجزيء ثنائي الذرة واحد مقابل واحد. ولكن بضغوط كافية (على سبيل المثال ، أكثر كثافة بمليون مرة من ضغط هواء الأرض عند مستوى سطح البحر) ، حتى تلك الروابط الأخوية ليست قوية بما يكفي لمقاومة الانضغاطات الساحقة ، وهي تنفجر.
والنتيجة ، تحت ما يقرب من 8000 ميل (13000 كم) تحت قمم السحب ، هي مزيج فوضوي من نوى الهيدروجين الحرة - التي هي مجرد بروتونات مفردة - مختلطة بالإلكترونات المحررة. تتحول المادة إلى طور سائل ، ولكن ما يجعل هيدروجين الهيدروجين ينفصل تمامًا عن الأجزاء المكونة له. عندما يحدث هذا في درجات حرارة عالية جدًا وضغوط منخفضة ، فإننا نسميها بلازما - نفس الأشياء مثل الجزء الأكبر من الشمس أو صاعقة برق.
ولكن في أعماق المشتري ، تجبر الضغوط الهيدروجين على التصرف بشكل مختلف تمامًا عن البلازما. بدلاً من ذلك ، فإنه يأخذ خصائص أقرب إلى خصائص المعدن. ومن ثم: الهيدروجين المعدني السائل.
معظم العناصر المدرجة في الجدول الدوري هي معادن: فهي صلبة ولامعة ، وموصلات كهربائية جيدة. تحصل العناصر على تلك الخصائص من الترتيب الذي تصنعه مع نفسها في درجات الحرارة والضغوط العادية: فهي ترتبط لتشكيل شبكة شعرية ، وكل منها يتبرع بإلكترون واحد أو أكثر إلى وعاء المجتمع. تتجول هذه الإلكترونات المنفصلة بحرية ، وتتنقل من ذرة إلى ذرة كما يحلو لها.
إذا كنت تأخذ قطعة من الذهب وقمت بإذابتها ، فلا يزال لديك كل مزايا مشاركة الإلكترونات للمعدن (باستثناء الصلابة) ، لذا فإن "المعدن السائل" ليس مفهومًا غريبًا. وبعض العناصر غير المعدنية عادة ، مثل الكربون ، يمكن أن تأخذ هذه الخصائص في ظل ترتيبات أو ظروف معينة.
لذلك ، للوهلة الأولى ، لا ينبغي أن يكون "الهيدروجين المعدني" فكرة غريبة: إنه مجرد عنصر غير معدني يبدأ في التصرف كمعدن في درجات حرارة وضغوط عالية. [الهيدروجين المعدني المصنوع في المختبر يمكن أن يحدث ثورة في وقود الصواريخ]
حالما تتحلل ، تتحلل دائمًا
ما هذه الضجة الكبيرة؟
الضجة الكبيرة هي أن الهيدروجين المعدني ليس معدنًا نموذجيًا. تحتوي معادن متنوعة في الحديقة على شبكة خاصة من الأيونات مغمورة في بحر من الإلكترونات العائمة بحرية. لكن ذرة الهيدروجين المجردة هي مجرد بروتون واحد ، ولا يوجد شيء يمكن للبروتون القيام به لبناء شبكة شعرية.
عندما تضغط على شريط من المعدن ، فأنت تحاول تقريب الأيونات المتشابكة من بعضها البعض ، وهو ما يكرهونه تمامًا. يوفر النفث الكهروستاتيكي كل الدعم الذي يحتاجه المعدن ليكون قويًا. لكن البروتونات المعلقة في سائل؟ يجب أن يكون من الأسهل بكثير أن يسحق. كيف يمكن للهيدروجين المعدني السائل الموجود داخل المشتري أن يدعم الوزن الساحق للغلاف الجوي فوقه؟
الجواب هو ضغط الانحطاط ، الغرابة الميكانيكية الكمومية للمادة تحت الظروف القاسية. اعتقد الباحثون أن الظروف المتطرفة قد لا توجد إلا في بيئات غريبة وفائقة الدقة مثل الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية ، ولكن اتضح أن لدينا مثالًا صحيحًا في فنائنا الخلفي الشمسي. حتى عندما تطغى القوى الكهرومغناطيسية ، لا يمكن ضغط الجزيئات المتطابقة مثل الإلكترونات إلا معًا بشدة - ترفض مشاركة نفس الحالة الميكانيكية الكمومية.
بعبارة أخرى ، لن تشترك الإلكترونات في مستوى الطاقة نفسه أبدًا ، مما يعني أنها ستستمر في التراكم فوق بعضها البعض ، ولن تقترب أبدًا ، حتى إذا ضغطت بشدة شديدة.
طريقة أخرى للنظر إلى الموقف هي من خلال ما يسمى مبدأ عدم اليقين Heisenberg: إذا حاولت تحديد موقع الإلكترون بالضغط عليه ، يمكن أن تصبح سرعته كبيرة جدًا ، مما يؤدي إلى قوة ضغط تقاوم المزيد من الضغط.
لذا فإن الجزء الداخلي من المشتري غريب حقًا - حساء من البروتونات والإلكترونات ، يسخن إلى درجات حرارة أعلى من سطح الشمس ، ويعاني ضغوطًا أقوى بمليون مرة من تلك الموجودة على الأرض ، ويضطر إلى الكشف عن طبيعته الكمية الحقيقية.
تعرف على المزيد من خلال الاستماع إلى حلقة "ما هو الهيدروجين المعدني في العالم؟" على بودكاست Ask A Spaceman ، المتوفر على iTunes وعلى الويب على askaspaceman.com. بفضل Tom S. وUpguntha و Andres C. و Colin E. على الأسئلة التي أدت إلى هذه القطعة! اطرح سؤالك على Twitter باستخدام #AskASpaceman أو باتباع [email protected]/PaulMattSutter.
