Unter Jupiters wirbelnden Wolkendecken befindet sich das gemeinsame Element Wasserstoff in einem sehr seltsamen Zustand.
(Bild: © Lella Erceg, Lycee Francais von Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Gastgeber von Ask a Spaceman und Space Radio und führt AstroTours um die Welt. Sutter hat diesen Artikel zu Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.
Solide. Flüssigkeit. Gas. Die Materialien, die uns in unserer normalen Alltagswelt umgeben, sind in drei ordentliche Lager unterteilt. Erhitzen Sie einen festen Wasserwürfel (auch bekannt als Eis). Wenn er eine bestimmte Temperatur erreicht, verwandelt er die Phasen in eine Flüssigkeit. Drehen Sie die Hitze weiter an, und irgendwann haben Sie ein Gas: Wasserdampf.
Jedes Element und Molekül hat ein eigenes "Phasendiagramm", eine Karte dessen, was Sie erwarten sollten, wenn Sie eine bestimmte Temperatur und einen bestimmten Druck darauf anwenden. Das Diagramm ist für jedes Element einzigartig, da es von der genauen atomaren / molekularen Anordnung und der Wechselwirkung mit sich selbst unter verschiedenen Bedingungen abhängt. Es liegt daher an den Wissenschaftlern, diese Diagramme durch mühsames Experimentieren und sorgfältige Theorie herauszuarbeiten. [Die seltsamsten Weltraumgeschichten von 2017]
Wenn es um Wasserstoff geht, begegnen wir ihm normalerweise überhaupt nicht, außer wenn er mit Sauerstoff angereichert ist, um das bekanntere Wasser herzustellen. Selbst wenn wir es einsam bekommen, verhindert seine Schüchternheit, dass es allein mit uns interagiert - es paart sich als zweiatomiges Molekül, fast immer als Gas. Wenn Sie etwas in eine Flasche einfangen und die Temperatur auf 33 Kelvin (minus 400 Grad Fahrenheit oder minus 240 Grad Celsius) senken, wird Wasserstoff zu einer Flüssigkeit und bei 14 K (minus 434 Grad F oder minus 259 Grad C) wird ein Feststoff.
Sie würden denken, dass am anderen Ende der Temperaturskala ein heißes Wasserstoffgas bleiben würde… ein heißes Gas. Und das stimmt, solange der Druck niedrig gehalten wird. Die Kombination von hoher Temperatur und hohem Druck führt jedoch zu einigen interessanten Verhaltensweisen.
Jovian tiefe Tauchgänge
Wie wir gesehen haben, ist das Verhalten von Wasserstoff auf der Erde unkompliziert. Aber Jupiter ist keine Erde, und der Wasserstoff, der in und unter den großen Bändern und wirbelnden Stürmen seiner Atmosphäre im Überfluss vorhanden ist, kann über seine normalen Grenzen hinausgeschoben werden.
Tief unter der sichtbaren Oberfläche des Planeten vergraben, steigen Druck und Temperatur dramatisch an, und der gasförmige Wasserstoff weicht langsam einer Schicht aus überkritischem Gas-Flüssigkeits-Hybrid. Aufgrund dieser extremen Bedingungen kann sich der Wasserstoff nicht in einem erkennbaren Zustand absetzen. Es ist zu heiß, um eine Flüssigkeit zu bleiben, aber unter zu viel Druck, um frei als Gas zu schweben - es ist ein neuer Zustand der Materie.
Steige tiefer ab und es wird noch seltsamer.
Selbst in seinem hybriden Zustand in einer dünnen Schicht direkt unter den Wolkendecken springt Wasserstoff immer noch als zwei-für-eins-Diatomeenmolekül herum. Aber bei ausreichendem Druck (etwa millionenfach intensiver als der Luftdruck der Erde auf Meereshöhe) sind selbst diese brüderlichen Bindungen nicht stark genug, um den überwältigenden Kompressionen zu widerstehen, und sie reißen.
Das Ergebnis, unterhalb von 13.000 km unter den Wolkendecken, ist eine chaotische Mischung aus freien Wasserstoffkernen - nur einzelne Protonen -, die mit freigesetzten Elektronen vermischt sind. Die Substanz kehrt in eine flüssige Phase zurück, aber was Wasserstoff zu Wasserstoff macht, ist jetzt vollständig in seine Bestandteile zerlegt. Wenn dies bei sehr hohen Temperaturen und niedrigen Drücken geschieht, nennen wir dies ein Plasma - das gleiche Material wie der Großteil der Sonne oder ein Blitz.
Aber in den Tiefen des Jupiter zwingen die Drücke den Wasserstoff dazu, sich ganz anders zu verhalten als ein Plasma. Stattdessen nimmt es Eigenschaften an, die denen eines Metalls ähnlicher sind. Daher: flüssiger metallischer Wasserstoff.
Die meisten Elemente im Periodensystem sind Metalle: Sie sind hart und glänzend und sorgen für gute elektrische Leiter. Die Elemente erhalten diese Eigenschaften aus der Anordnung, die sie bei normalen Temperaturen und Drücken mit sich selbst treffen: Sie verbinden sich zu einem Gitter und spenden jeweils ein oder mehrere Elektronen an den Gemeinschaftstopf. Diese dissoziierten Elektronen bewegen sich frei und springen von Atom zu Atom, wie es ihnen gefällt.
Wenn Sie einen Goldbarren nehmen und ihn schmelzen, haben Sie immer noch alle Vorteile eines Metalls für die gemeinsame Nutzung von Elektronen (mit Ausnahme der Härte), sodass "flüssiges Metall" kein allzu fremdes Konzept ist. Und einige Elemente, die normalerweise nicht metallisch sind, wie Kohlenstoff, können diese Eigenschaften unter bestimmten Anordnungen oder Bedingungen annehmen.
Auf den ersten Blick sollte "metallischer Wasserstoff" also keine so seltsame Idee sein: Es ist nur ein nichtmetallisches Element, das sich bei hohen Temperaturen und Drücken wie ein Metall verhält. [Im Labor hergestellter 'Metallischer Wasserstoff' könnte Raketentreibstoff revolutionieren]
Einmal entartet, immer entartet
Was ist die große Aufregung?
Die große Aufregung ist, dass metallischer Wasserstoff kein typisches Metall ist. Metalle der Gartensorte haben dieses spezielle Ionengitter, das in ein Meer frei schwebender Elektronen eingebettet ist. Aber ein abgespecktes Wasserstoffatom ist nur ein einziges Proton, und ein Proton kann nichts tun, um ein Gitter aufzubauen.
Wenn Sie auf eine Metallstange drücken, versuchen Sie, die ineinandergreifenden Ionen enger zusammenzudrücken, was sie absolut hassen. Die elektrostatische Abstoßung bietet alle Unterstützung, die ein Metall benötigt, um stark zu sein. Aber Protonen in einer Flüssigkeit suspendiert? Das sollte viel einfacher zu zerquetschen sein. Wie kann der flüssige metallische Wasserstoff im Jupiter das Quetschgewicht der darüber liegenden Atmosphäre tragen?
Die Antwort ist Entartungsdruck, eine quantenmechanische Eigenart der Materie unter extremen Bedingungen. Die Forscher dachten, dass extreme Bedingungen nur in exotischen, ultradichten Umgebungen wie weißen Zwergen und Neutronensternen zu finden sind, aber es stellt sich heraus, dass wir ein Beispiel direkt in unserem solaren Hinterhof haben. Selbst wenn elektromagnetische Kräfte überwältigt werden, können identische Teilchen wie Elektronen nur so eng zusammengedrückt werden - sie weigern sich, denselben quantenmechanischen Zustand zu teilen.
Mit anderen Worten, Elektronen werden niemals das gleiche Energieniveau teilen, was bedeutet, dass sie sich immer wieder aufeinander stapeln und niemals näher kommen, selbst wenn Sie wirklich, wirklich fest drücken.
Eine andere Möglichkeit, die Situation zu betrachten, ist das sogenannte Heisenberg-Unsicherheitsprinzip: Wenn Sie versuchen, die Position eines Elektrons durch Drücken festzuhalten, kann seine Geschwindigkeit sehr groß werden, was zu einer Druckkraft führt, die einem weiteren Zusammendrücken widersteht.
Das Innere des Jupiter ist in der Tat seltsam - eine Suppe aus Protonen und Elektronen, die auf Temperaturen erhitzt wird, die höher sind als die der Sonnenoberfläche, unter millionenfach stärkerem Druck als auf der Erde leidet und gezwungen ist, ihre wahre Quantennatur zu enthüllen.
Weitere Informationen erhalten Sie in der Folge "Was in aller Welt ist metallischer Wasserstoff?" im Ask A Spaceman-Podcast, verfügbar bei iTunes und im Internet unter askaspaceman.com. Vielen Dank an Tom S., @Upguntha, Andres C. und Colin E. für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie [email protected]/PaulMattSutter.
