Al di sotto delle vorticose nuvole di Giove, l'elemento idrogeno comune esiste in uno stato molto strano.
(Immagine: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University e il capo scienziato del centro scientifico COSI. Sutter è anche ospite di Ask a Spaceman e Space Radio e guida AstroTours in tutto il mondo. Sutter ha contribuito con questo articolo alle voci Expert di Space.com: Op-Ed & Insights.
Solido. Liquido. Gas. I materiali che ci circondano nel nostro normale mondo quotidiano sono divisi in tre campi ordinati. Riscalda un solido cubo di acqua (noto anche come ghiaccio) e quando raggiunge una certa temperatura, cambia le fasi in un liquido. Continua a far girare il calore e alla fine avrai un gas: vapore acqueo.
Ogni elemento e molecola ha il suo "diagramma di fase", una mappa di ciò che dovresti aspettarti di incontrare se applichi una temperatura e una pressione specifiche ad esso. Il diagramma è unico per ogni elemento perché dipende dalla precisa disposizione atomica / molecolare e da come interagisce con se stesso in varie condizioni, quindi spetta agli scienziati prendere in giro questi diagrammi attraverso un'ardua sperimentazione e un'attenta teoria. [Le storie di spazi più strani del 2017]
Quando si tratta di idrogeno, di solito non lo incontriamo affatto, tranne quando è collegato con l'ossigeno per rendere l'acqua più familiare. Anche quando lo capiamo da soli, la sua timidezza gli impedisce di interagire solo con noi - si accoppia come una molecola biatomica, quasi sempre come un gas. Se ne intrappoli un po 'in una bottiglia e riduci la temperatura a 33 kelvin (meno 400 gradi Fahrenheit o meno 240 gradi Celsius), l'idrogeno diventa un liquido e a 14 K (meno 434 gradi F o meno 259 gradi C), diventa un solido.
Penseresti che all'estremità opposta della scala di temperatura, un gas caldo di idrogeno rimarrebbe ... un gas caldo. E questo è vero, purché la pressione sia mantenuta bassa. Ma la combinazione di alta temperatura e alta pressione porta ad alcuni comportamenti interessanti.
Immersioni profonde gioviane
Sulla Terra, come abbiamo visto, il comportamento dell'idrogeno è semplice. Ma Giove non è la Terra e l'idrogeno trovato in abbondanza dentro e sotto le grandi bande e le tempeste turbinanti della sua atmosfera può essere spinto oltre i suoi limiti normali.
Sepolto in profondità sotto la superficie visibile del pianeta, le pressioni e la temperatura aumentano drammaticamente e l'idrogeno gassoso lascia lentamente il posto a uno strato di ibrido gas-liquido supercritico. A causa di queste condizioni estreme, l'idrogeno non può stabilirsi in uno stato riconoscibile. Fa troppo caldo per rimanere un liquido ma sotto troppa pressione per galleggiare liberamente come un gas - è un nuovo stato della materia.
Scendi più in profondità e diventa ancora più strano.
Anche nel suo stato ibrido in un sottile strato appena sotto le nuvole, l'idrogeno rimbalza ancora come una molecola biatomica due per uno. Ma a pressioni sufficienti (diciamo, un milione di volte più intense della pressione atmosferica della Terra a livello del mare), anche quei legami fraterni non sono abbastanza forti da resistere alle schiaccianti compressioni, e si spezzano.
Il risultato, sotto circa 8.000 miglia (13.000 km) sotto le nuvole, è un caotico mix di nuclei di idrogeno liberi - che sono solo singoli protoni - mescolati con elettroni liberati. La sostanza ritorna in una fase liquida, ma ciò che rende l'idrogeno idrogeno è ora completamente dissociato nelle sue parti componenti. Quando questo accade a temperature molto alte e basse pressioni, lo chiamiamo plasma - lo stesso materiale della maggior parte del sole o di un fulmine.
Ma nelle profondità di Giove, le pressioni costringono l'idrogeno a comportarsi in modo molto diverso rispetto a un plasma. Invece, assume proprietà più simili a quelle di un metallo. Quindi: idrogeno metallico liquido.
La maggior parte degli elementi della tavola periodica sono metalli: sono duri e lucenti e creano buoni conduttori elettrici. Gli elementi ottengono quelle proprietà dalla disposizione che fanno con se stessi a temperature e pressioni normali: si collegano per formare un reticolo e ciascuno dona uno o più elettroni al vaso della comunità. Questi elettroni dissociati vagano liberamente, saltando da un atomo all'altro a loro piacimento.
Se prendi una barra d'oro e la fondi, hai ancora tutti i vantaggi della condivisione di elettroni di un metallo (tranne la durezza), quindi il "metallo liquido" non è poi un concetto così estraneo. E alcuni elementi che normalmente non sono metallici, come il carbonio, possono assumere tali proprietà in determinate condizioni o condizioni.
Quindi, a prima vista, "l'idrogeno metallico" non dovrebbe essere un'idea così strana: è solo un elemento non metallico che inizia a comportarsi come un metallo ad alte temperature e pressioni. [L'idrogeno metallico realizzato in laboratorio potrebbe rivoluzionare il carburante per missili]
Una volta degenerato, sempre degenerato
Qual è il grande clamore?
Il grande clamore è che l'idrogeno metallico non è un metallo tipico. I metalli delle varietà da giardino hanno quel reticolo speciale di ioni incorporato in un mare di elettroni fluttuanti. Ma un atomo di idrogeno ridotto è solo un singolo protone e non c'è nulla che un protone possa fare per costruire un reticolo.
Quando schiacci su una barra di metallo, stai cercando di forzare gli ioni ad incastro più vicini, che odiano assolutamente. La repulsione elettrostatica fornisce tutto il supporto di cui un metallo ha bisogno per essere forte. Ma i protoni sospesi in un fluido? Dovrebbe essere molto più facile da schiacciare. In che modo l'idrogeno metallico liquido all'interno di Giove può sostenere il peso schiacciante dell'atmosfera sopra di esso?
La risposta è la pressione degenerativa, una stranezza meccanica quantistica della materia in condizioni estreme. I ricercatori hanno pensato che condizioni estreme potessero essere trovate solo in ambienti esotici e ultra-densi come nane bianche e stelle di neutroni, ma si scopre che abbiamo un esempio proprio nel nostro cortile solare. Anche quando le forze elettromagnetiche sono sopraffatte, particelle identiche come gli elettroni possono essere schiacciate così strettamente insieme - rifiutano di condividere lo stesso stato meccanico quantistico.
In altre parole, gli elettroni non condivideranno mai lo stesso livello di energia, il che significa che continueranno ad accumularsi l'uno sopra l'altro, senza mai avvicinarsi, anche se si stringe molto, molto forte.
Un altro modo di vedere la situazione è attraverso il cosiddetto principio di incertezza di Heisenberg: se provi a fissare la posizione di un elettrone spingendolo su di esso, la sua velocità può diventare molto grande, risultando in una forza di pressione che resiste ad ulteriore spremitura.
Quindi l'interno di Giove è davvero strano - una zuppa di protoni ed elettroni, riscaldata a temperature superiori a quella della superficie del sole, che subisce pressioni un milione di volte più forti di quelle sulla Terra e costretta a rivelare la loro vera natura quantistica.
Scopri di più ascoltando l'episodio "Che cosa è l'idrogeno metallico?" sul podcast Ask A Spaceman, disponibile su iTunes e sul Web all'indirizzo askaspaceman.com. Grazie a Tom S., @Upguntha, Andres C. e Colin E. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Poni la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo [email protected]/PaulMattSutter.
