Die Innenräume der beiden Gasriesen Jupiter und Saturn sind ziemlich extreme Orte. Wenn wir an ein flüssiges Metall denken, denken wir normalerweise an flüssiges Quecksilber bei Raumtemperatur (oder an das wieder zusammengesetzte flüssige Metall T-1000, das Robert Patrick im Film gespielt hat Terminator 2) betrachten wir selten zwei der am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum als flüssiges Metall unter bestimmten Bedingungen. Und doch behauptet dies ein Team von Physikern von UC Berkley; Helium und Wasserstoff können sich unter dem massiven Druck in der Nähe der Kerne von Jupiter und Saturn vermischen und eine flüssige Metalllegierung bilden, die möglicherweise unsere Wahrnehmung dessen verändert, was unter diesen Jupiter-Stürmen liegt.
Normalerweise konzentrieren sich Planetenphysiker und Chemiker hauptsächlich auf die Eigenschaften des am häufigsten vorkommenden Elements im Universum: Wasserstoff. In der Tat sind über 90% von Jupiter und Saturn auch Wasserstoff. In der Atmosphäre dieses Gasriesen befindet sich jedoch nicht das einfache Wasserstoffatom, sondern das überraschend komplexe zweiatomige Wasserstoffgas (d. H. Molekularer Wasserstoff, H.2). Um die Dynamik und Natur der Innenseiten der massereichsten Planeten unseres Sonnensystems zu verstehen, untersuchen Forscher von UC Berkley und London ein weitaus einfacheres Element. das zweithäufigste Gas im Universum: Helium.
Raymond Jeanloz, Professor an der UC Berkeley, und sein Team haben ein interessantes Merkmal von Helium bei extremen Drücken entdeckt, die in der Nähe der Kerne von Jupiter und Saturn ausgeübt werden können. Helium bildet beim Mischen mit Wasserstoff eine metallische Flüssiglegierung. Dieser Materiezustand wurde als selten angesehen, aber diese neuen Erkenntnisse legen nahe, dass flüssige Metall-Helium-Legierungen häufiger vorkommen als bisher angenommen.
“Dies ist ein Durchbruch in Bezug auf unser Verständnis von Materialien, und das ist wichtig, denn um die langfristige Entwicklung von Planeten zu verstehen, müssen wir tief im Inneren mehr über ihre Eigenschaften wissen. Der Befund ist auch unter dem Gesichtspunkt interessant zu verstehen, warum Materialien so sind, wie sie sind, und was ihre Stabilität sowie ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmt. ” - Raymond Jeanloz.
Jupiter beispielsweise übt einen enormen Druck auf die Gase in seiner Atmosphäre aus. Aufgrund seiner großen Masse kann man mit Drücken von bis zu 70 Millionen Erdatmosphären rechnen (nein, das reicht nicht aus, um die Fusion anzukurbeln…), wodurch Kerntemperaturen zwischen 10.000 und 20.000 K entstehen (das ist 2-4 mal heißer als die Die Photosphäre der Sonne!). Daher wurde Helium als Untersuchungselement für diese extremen Bedingungen ausgewählt, ein Gas, das 5-10% der beobachtbaren Materie des Universums ausmacht.
Mithilfe der Quantenmechanik zur Berechnung des Verhaltens von Helium unter verschiedenen extremen Drücken und Temperaturen stellten die Forscher fest, dass Helium bei sehr hohem Druck zu einem flüssigen Metall wird. Normalerweise wird Helium als farbloses und transparentes Gas angesehen. Unter Bedingungen der Erdatmosphäre ist dies wahr. Bei 70 Millionen Erdatmosphären verwandelt es sich jedoch in eine völlig andere Kreatur. Anstatt ein Isoliergas zu sein, verwandelt es sich in eine leitende flüssige Metallsubstanz, eher wie Quecksilber. “nur weniger reflektierend", Fügte Jeanloz hinzu.
Dieses Ergebnis ist überraschend, da immer angenommen wurde, dass massive Drücke es für Elemente wie Wasserstoff und Helium schwieriger machen, metallartig zu werden. Dies liegt daran, dass die hohen Temperaturen an Orten wie dem Jupiter-Kern erhöhte Schwingungen in Atomen verursachen und so die Wege von Elektronen ablenken, die versuchen, im Material zu fließen. Wenn kein Elektronenfluss vorhanden ist, wird das Material zu einem Isolator und kann nicht als „Metall“ bezeichnet werden.
Diese neuen Erkenntnisse legen jedoch nahe, dass atomare Schwingungen unter diesen Drücken tatsächlich den kontraintuitiven Effekt haben, neue Wege für den Elektronenfluss zu schaffen. Plötzlich wird das flüssige Helium leitfähig, was bedeutet, dass es ein Metall ist.
In einer anderen Wendung wird angenommen, dass sich das flüssige Heliummetall leicht mit Wasserstoff vermischen könnte. Die Planetenphysik sagt uns, dass dies nicht möglich ist. Wasserstoff und Helium trennen sich wie Öl und Wasser in den Gasriesenkörpern. Das Team von Jeanloz hat jedoch festgestellt, dass sich die beiden Elemente tatsächlich vermischen können, wodurch eine flüssige Metalllegierung entsteht. Wenn dies der Fall sein soll, muss die planetare Evolution ernsthaft überdacht werden.
Sowohl Jupiter als auch Saturn setzen mehr Energie frei, als die Sonne liefert, was bedeutet, dass beide Planeten ihre eigene Energie erzeugen. Der akzeptierte Mechanismus hierfür ist die Kondensation von Heliumtröpfchen, die aus der oberen Atmosphäre der Planeten in den Kern fallen und das Gravitationspotential freisetzen, wenn das Helium als „Regen“ fällt. Wenn sich jedoch herausstellt, dass diese Forschung der Fall ist, ist das Innere des Gasriesen wahrscheinlich viel homogener als bisher angenommen, was bedeutet, dass es keine Heliumtröpfchen geben kann.
Die nächste Aufgabe für Jeanloz und sein Team ist es daher, eine alternative Energiequelle zu finden, die Wärme in den Kernen von Jupiter und Saturn erzeugt (Schreiben Sie die Lehrbücher also noch nicht ganz neu.)
Quelle: UC Berkeley
