Was in der Welt ist metallischer Wasserstoff?

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 auf der ganzen Welt. Sutter hat diesen Artikel zu ProfoundSpace.org's Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.

Solide. Flüssigkeit. Gas. Die Materialien, die uns in unserer normalen Alltagswelt umgeben, sind in drei ordentliche Lager unterteilt. Erhitze einen festen Wasserwürfel (alias Eis) und wenn er eine bestimmte Temperatur erreicht hat, wandelt er die Phasen in eine Flüssigkeit um. Lassen Sie die Hitze weiterdrehen, und irgendwann haben Sie ein Gas: Wasserdampf.

Jedes Element und Molekül hat sein eigenes "Phasendiagramm", eine Karte dessen, was Sie erwarten sollten, wenn Sie eine bestimmte Temperatur und einen spezifischen Druck darauf anwenden. Das Diagramm ist für jedes Element einzigartig, da es auf der genauen atomaren / molekularen Anordnung und der Interaktion mit sich selbst unter verschiedenen Bedingungen beruht. Daher liegt es 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 es mit Sauerstoff gefüllt ist, um das vertrautere Wasser zu machen. Selbst wenn wir es einsam finden, verhindert seine Scheuheit, dass es nur mit uns in Wechselwirkung tritt - es paart sich als zweiatomiges Molekül, fast immer als Gas. Wenn Sie einige in einer Flasche fangen und die Temperatur auf 33 Kelvin (minus 400 Grad Fahrenheit oder minus 240 Grad Celsius) herunterziehen, wird Wasserstoff zu einer Flüssigkeit und bei 14 K (minus 434 Grad F oder minus 259 Grad C) wird ein Festkörper.

Sie würden denken, dass am entgegengesetzten Ende der Temperaturskala ein heißes Gas aus Wasserstoff bleiben würde ... ein heißes Gas. Und das ist wahr, solange der Druck niedrig gehalten wird. Aber die Kombination von hoher Temperatur und hohem Druck führt zu einigen interessanten Verhaltensweisen.

Jovian tiefe Tauchgänge

Wie wir gesehen haben, ist das Verhalten von Wasserstoff auf der Erde einfach. Aber Jupiter ist nicht die Erde, und der Wasserstoff, der in den großen Bändern und in den wirbelnden Stürmen seiner Atmosphäre im Überfluss vorhanden ist, kann über seine normalen Grenzen hinaus gedrängt werden.

Tief unter der sichtbaren Oberfläche des Planeten vergraben, steigen die Drücke und die Temperatur dramatisch an, und der gasförmige Wasserstoff weicht langsam einer Schicht eines superkritischen Gas-Flüssigkeits-Hybrids. Aufgrund dieser extremen Bedingungen kann sich der Wasserstoff nicht in einem erkennbaren Zustand absetzen. Es ist zu heiß, um flüssig zu bleiben, aber unter zu viel Druck, um frei wie ein Gas zu schweben - es ist ein neuer Zustand der Materie.

Abstieg tiefer, und es wird noch seltsamer.

Selbst in seinem hybriden Zustand in einer dünnen Schicht direkt unter den Wolkenspitzen springt Wasserstoff immer noch als zwei-zu-eins zweiatomiges Molekül herum. Aber bei ausreichendem Druck (sagen wir, eine Million Mal intensiver als der Luftdruck der Erde auf Meereshöhe), sind selbst diese brüderlichen Bindungen nicht stark genug, um den überwältigenden Kompressionen zu widerstehen, und sie schnappen.

Das Ergebnis, unterhalb von etwa 13000 km unter den Wolkenspitzen, ist eine chaotische Mischung aus freien Wasserstoffkernen - die nur einzelne Protonen sind -, die sich mit freigesetzten Elektronen vermischen. Die Substanz kehrt in eine flüssige Phase zurück, aber was Wasserstoff Wasserstoff macht, wird jetzt vollständig in seine Bestandteile dissoziiert. Wenn dies bei sehr hohen Temperaturen und niedrigen Drücken geschieht, nennen wir dies ein Plasma - das gleiche wie der größte Teil der Sonne oder ein Blitz.

Aber in den Tiefen des Jupiter zwingen die Drücke den Wasserstoff, sich viel anders zu verhalten als ein Plasma. Stattdessen nimmt es Eigenschaften an, die denen eines Metalls ähnlicher sind. Also: flüssiger metallischer Wasserstoff.

Das ist Metall

Die meisten Elemente des Periodensystems 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 wandern frei und springen von Atom zu Atom, wie es ihnen gefällt.

Wenn Sie einen Goldbarren nehmen und ihn schmelzen lassen, haben Sie immer noch alle Vorteile eines Metalls (außer der Härte), so dass "flüssiges Metall" kein so fremdes Konzept ist. Und einige Elemente, die normalerweise nicht metallisch sind, wie Kohlenstoff, können diese Eigenschaften unter bestimmten Bedingungen annehmen.

Also, auf den ersten Blick, "metallischer Wasserstoff" sollte nicht so seltsam eine Idee sein: Es ist nur ein nichtmetallisches Element, das sich bei hohen Temperaturen und Drücken als Metall zu verhalten beginnt. [Lab-Made 'Metallic Hydrogen' könnte Raketentreibstoff revolutionieren]

Einmal entartet, immer entartet

Was ist das große Aufhebens?

Der große Wirbel ist, dass metallischer Wasserstoff kein typisches Metall ist. Die Metalle der Gartensorte haben ein spezielles Ionengitter, das in einem Meer frei schwebender Elektronen eingebettet ist. Aber ein abgespecktes Wasserstoffatom ist nur ein einzelnes Proton und es gibt nichts, was ein Proton tun kann, um ein Gitter zu bauen.

Wenn du dich auf einen Metallstab drückst, versuchst du, die ineinander greifenden Ionen näher zusammenzubringen, was sie absolut hassen. Die elektrostatische Abstoßung bietet alle Unterstützung, die ein Metall braucht, um stark zu sein. Aber Protonen in einer Flüssigkeit suspendiert? Das sollte viel leichter zu quetschen sein. Wie kann der flüssige metallische Wasserstoff in Jupiter das zerdrückende Gewicht der darüber liegenden Atmosphäre unterstützen?

Die Antwort ist Entartungsdruck, eine quantenmechanische Eigenart der Materie unter extremen Bedingungen. Die Forscher dachten, dass extreme Bedingungen nur in exotischen, ultradünnen Umgebungen wie Weißen Zwergen und Neutronensternen gefunden werden könnten, aber es zeigt sich, dass wir ein Beispiel in unserem Solar-Hinterhof haben.Selbst wenn elektromagnetische Kräfte überschwemmt werden, können identische Teilchen wie Elektronen nur so eng zusammengequetscht werden - sie weigern sich, denselben quantenmechanischen Zustand zu teilen.

Mit anderen Worten, Elektronen werden niemals das gleiche Energieniveau teilen, was bedeutet, dass sie sich aufeinander stapeln werden und niemals näher kommen, selbst wenn Sie wirklich, sehr hart quetschen.

Eine andere Möglichkeit, die Situation zu betrachten, ist die sogenannte Heisenberg-Unschärferelation: Wenn man versucht, die Position eines Elektrons festzuhalten, indem man darauf drückt, kann seine Geschwindigkeit sehr groß werden, was zu einer Druckkraft führt, die einem weiteren Quetschen widersteht.

So ist das Innere des Jupiters tatsächlich merkwürdig - eine Suppe aus Protonen und Elektronen, die auf Temperaturen erhitzt werden, die höher sind als die der Sonnenoberfläche. Sie leiden millionenfach stärker als die auf der Erde und sind gezwungen, ihre wahre Quantennatur zu offenbaren.

Erfahren Sie mehr durch Hören der Episode "Was in der Welt ist metallischer Wasserstoff?" im Ask A Spaceman Podcast, erhältlich bei iTunes und im Internet unter askaspaceman.com. Danke 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 indem Sie Paul@PaulMattSutterfacebook.com/PaulMattSutter folgen.