목성의 소용돌이 치는 구름 꼭대기 아래에서 공통 원소 수소는 매우 이상한 상태로 존재합니다.
(이미지 : © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter는 Ohio State University의 천체 물리학 자이자 COSI 과학 센터의 수석 과학자입니다. Sutter는 Ask a Spaceman 및 Space Radio의 호스트이며 전 세계 AstroTours를 이끌고 있습니다. Sutter는이 기사를 Space.com의 Expert Voices : Op-Ed & Insights에 기고했습니다.
고체. 액체. 가스. 평범한 일상 세계에서 우리를 둘러싼 자료는 세 가지 깔끔한 캠프로 나뉩니다. 물 (일명 얼음)의 단단한 입방체를 데우고 특정 온도에 도달하면 상을 액체로 바꿉니다. 열을 계속 크랭크하면 결국 수증기 가스가 생깁니다.
모든 원소와 분자에는 고유 한 "상 다이어그램"이 있으며, 특정 온도와 압력을 가했을 때 발생할 것으로 예상되는 맵입니다. 이 다이어그램은 정확한 원자 / 분자 배열과 다양한 조건에서 어떻게 상호 작용하는지에 따라 각 요소마다 고유하므로 과학자들은 힘든 실험과 신중한 이론을 통해 이러한 다이어그램을 조작 할 수 있습니다. [2017 년의 가장 이상한 우주 이야기]
수소에 관해서는, 친숙한 물을 만들기 위해 산소로 가득 찬 경우를 제외하고는 일반적으로 전혀 발생하지 않습니다. 우리가 외로움에 시달 리더라도 수줍음은 우리와 혼자 상호 작용하는 것을 막습니다. 그것은 거의 항상 가스와 같은 이원자 분자와 짝을 이룹니다. 병에 담아서 온도를 33 켈빈 (화씨 400도 또는 섭씨 240도)으로 낮추면 수소가 액체가되고 14K (마이너스 434도 또는 마이너스 259도)가됩니다. 고체가됩니다.
온도 스케일의 반대쪽 끝에서 수소의 뜨거운 가스는 ... 뜨거운 가스로 남아있을 것이라고 생각할 것입니다. 그리고 압력이 낮게 유지되는 한 사실입니다. 그러나 고온과 고압의 조합은 흥미로운 행동으로 이어집니다.
조 비아 깊은 다이빙
우리가 본 바와 같이, 수소의 행동은 간단합니다. 그러나 목성은 지구가 아니며, 대대와 그 아래에서 풍부하게 발견되는 수소는 대기의 소용돌이 치는 정상 한계를 넘어 설 수 있습니다.
행성의 가시적 인 표면 아래 깊숙히 묻히면 압력과 온도가 급격히 상승하며 기체 수소는 천천히 초 임계 기체-액체 하이브리드 층으로 이동합니다. 이러한 극한 조건으로 인해 수소는 인식 가능한 상태로 정착 할 수 없습니다. 액체 상태로 유지하기에는 너무 뜨겁지 만 가스로 자유롭게 떠 다니기에는 너무 많은 압력을 받으면 새로운 상태입니다.
더 깊은 곳으로 내려 가면 더 이상해집니다
구름 꼭대기 바로 아래의 얇은 층에있는 하이브리드 상태에서도 수소는 여전히 일대일 이원자 분자로 튀어 오릅니다. 그러나 충분한 압력 (예를 들어, 해수면의 지구 기압보다 백만 배 더 강렬한 압력)에서, 이러한 이란성 결합조차도 압도적 인 압축에 저항하기에 충분히 강하지 않아서 스냅됩니다.
구름 꼭대기에서 약 3,000 마일 (13,000km) 아래의 결과는 자유 수소 핵 (단일 양성자)이 해방 된 전자와 혼합 된 혼란스러운 혼합입니다. 물질은 액상으로 되돌아 가지만, 수소 수소를 만드는 것은 이제 구성 요소 부분과 완전히 분리됩니다. 이것이 매우 높은 온도와 낮은 압력에서 일어날 때, 우리는 이것을 태양의 대부분이나 번개와 같은 플라즈마라고 부릅니다.
그러나 목성의 깊이에서 압력은 수소가 플라즈마와 크게 다르게 행동하게합니다. 대신, 금속과 유사한 특성을 취합니다. 액체 금속 수소.
주기율표의 대부분의 원소는 금속입니다. 단단하고 광택이 있으며 우수한 전기 전도체를 만듭니다. 원소들은 정상적인 온도와 압력에서 스스로 배열을 통해 그러한 특성을 얻습니다. 그것들은 격자를 형성하기 위해 연결되며 각각 하나 이상의 전자를 공동체 냄비에 기부합니다. 이 해리 된 전자들은 원하는대로 원자에서 원자로 뛰어 다니며 자유롭게 돌아 다닙니다.
금을 받아 녹여도 금속의 전자 공유 이점 (경도 제외)의 모든 이점을 얻을 수 있으므로 "액체 금속"이 이질적인 개념은 아닙니다. 그리고 탄소와 같이 일반적으로 금속성이 아닌 일부 원소는 특정 배열이나 조건에서 이러한 특성을 취할 수 있습니다.
따라서 처음에는 홍당무 인 "금속 수소"가 이상하게 생각되어서는 안됩니다. 고온과 고압에서 금속처럼 행동하기 시작하는 비금속 원소 일뿐입니다. [실험실에서 만든 '금속 수소'가 로켓 연료를 혁신 할 수 있음]
퇴화되면 항상 퇴화
큰 소란 무엇입니까?
큰 소란은 금속 수소가 전형적인 금속이 아니라는 것입니다. 정원의 다양한 금속은 자유 부유 전자 바다에 내장 된 특별한 이온 격자를 가지고 있습니다. 그러나 제거 된 수소 원자는 단 하나의 양성자이며, 양성자가 격자를 만들기 위해 할 수있는 일은 없습니다.
금속 막대를 쥐어 짜면 연동 이온을 서로 더 가깝게 강제하려고합니다. 정전기 반발력은 금속이 강해야하는 모든 지원을 제공합니다. 그러나 양성자가 액체에 매달려 있습니까? 찌그러지기 훨씬 쉬워야합니다. 목성 내부의 액체 금속 수소가 어떻게 대기의 분쇄 무게를 지탱할 수 있습니까?
그 해답은 극한 조건 하에서 양자 역학적 문제인 퇴행성 압력입니다. 연구원들은 극한의 조건이 백색 왜성이나 중성자 별과 같은 이국적이고 초 고밀도 환경에서만 발견 될 수 있다고 생각했지만, 우리는 태양 뒤뜰에서 옳은 예를 가지고 있음이 밝혀졌습니다. 전자기력이 압도 되더라도 전자와 같은 동일한 입자는 서로 단단히 밀착 될 수 있으며 동일한 양자 기계적 상태를 공유하지 않습니다.
다시 말해, 전자는 결코 같은 에너지 레벨을 공유하지 않을 것입니다. 즉, 실제로 너무 세게 쥐어도 서로 가까이 쌓이지 않고 가까이 다가 가지 않습니다.
상황을 보는 또 다른 방법은 소위 Heisenberg 불확실성 원리를 사용하는 것입니다. 전자를 밀어서 전자의 위치를 고정하려고 시도하면 전자의 속도가 매우 커져서 압착력에 더 강한 압력이 발생할 수 있습니다.
따라서 목성의 내부는 실제로 이상합니다. 양성자와 전자 수프는 태양 표면보다 높은 온도로 가열되어 지구의 압력보다 백만 배나 더 강한 압력을 받고 진정한 양자 특성을 드러내고 있습니다.
"세계에서 금속성 수소는 무엇입니까?" Ask A Spaceman 팟 캐스트 (iTunes 및 웹의 askaspaceman.com에서 제공). 이 작품으로 이어진 질문에 대해 Tom S., @Upguntha, Andres C. 및 Colin E.에게 감사드립니다! 트위터에서 #AskASpaceman을 사용하거나 [email protected]/PaulMattSutter를 따라 자신의 질문을하십시오.
