Bên dưới ngọn mây xoáy của sao Mộc, nguyên tố hydro phổ biến tồn tại ở trạng thái rất lạ.
(Ảnh: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter là nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio và là nhà khoa học trưởng tại trung tâm khoa học COSI. Sutter cũng là người dẫn chương trình Ask a Spaceman và Space Radio, đồng thời dẫn dắt AstroTours trên toàn thế giới. Sutter đã đóng góp bài viết này cho Chuyên gia lên tiếng của Space.com: Op-Ed & Insights.
Chất rắn. Chất lỏng. Khí ga. Các vật liệu bao quanh chúng ta trong thế giới hàng ngày bình thường của chúng ta được chia thành ba trại gọn gàng. Làm nóng một khối nước rắn (còn gọi là nước đá) và khi đạt đến nhiệt độ nhất định, nó sẽ thay đổi pha thành chất lỏng. Tiếp tục điều chỉnh nhiệt và cuối cùng, bạn sẽ có một loại khí: hơi nước.
Mỗi nguyên tố và phân tử có "sơ đồ pha" riêng, một bản đồ về những gì bạn sẽ gặp phải nếu bạn áp dụng nhiệt độ và áp suất cụ thể cho nó. Sơ đồ này là duy nhất cho mỗi nguyên tố vì nó phụ thuộc vào sự sắp xếp nguyên tử / phân tử chính xác và cách nó tương tác với chính nó trong các điều kiện khác nhau, do đó, các nhà khoa học phải trêu chọc các sơ đồ này thông qua thử nghiệm gian khổ và lý thuyết cẩn thận. [Câu chuyện không gian kỳ lạ nhất năm 2017]
Khi nói đến hydro, chúng ta thường không gặp phải nó, ngoại trừ khi nó kết hợp với oxy để tạo ra loại nước quen thuộc hơn. Ngay cả khi chúng ta có được nó bằng sự cô đơn, sự nhút nhát của nó ngăn không cho nó tương tác với chúng ta một mình - nó kết hợp như một phân tử diatomic, hầu như luôn luôn là một chất khí. Nếu bạn nhốt một số trong chai và kéo nhiệt độ xuống 33 kelvins (âm 400 độ F, hoặc âm 240 độ C), hydro sẽ trở thành chất lỏng và ở 14 K (âm 434 độ F hoặc âm 259 độ C), nó trở thành một chất rắn
Bạn có thể nghĩ rằng ở phía đối diện của thang đo nhiệt độ, một khí nóng của hydro sẽ giữ lại khí nóng. Và đó là sự thật, miễn là áp lực được giữ ở mức thấp. Nhưng sự kết hợp của nhiệt độ cao và áp suất cao dẫn đến một số hành vi thú vị.
Lặn sâu Jovian
Trên trái đất, như chúng ta đã thấy, hành vi của hydro rất đơn giản. Nhưng Sao Mộc không phải là Trái đất, và hydro được tìm thấy rất nhiều trong và bên dưới các dải lớn và những cơn bão xoáy của bầu khí quyển có thể bị đẩy ra ngoài giới hạn bình thường.
Chôn sâu bên dưới bề mặt có thể nhìn thấy của hành tinh, áp suất và nhiệt độ tăng lên đáng kể, và khí hydro từ từ nhường chỗ cho một lớp lai khí-lỏng siêu tới hạn. Do những điều kiện khắc nghiệt này, hydro không thể ổn định ở trạng thái dễ nhận biết. Nó quá nóng để giữ một chất lỏng nhưng chịu quá nhiều áp lực để nổi tự do như một chất khí - đó là một trạng thái mới của vật chất.
Xuống sâu hơn, và nó thậm chí còn xa lạ hơn.
Ngay cả ở trạng thái lai trong một lớp mỏng ngay bên dưới ngọn mây, hydro vẫn nảy lên như một phân tử diatomic hai đối một. Nhưng ở áp suất đủ (giả sử, mạnh hơn một triệu lần so với áp suất không khí của Trái đất ở mực nước biển), ngay cả những liên kết huynh đệ đó cũng không đủ mạnh để chống lại sức ép quá lớn, và chúng chộp lấy.
Kết quả, dưới đây khoảng 8.000 dặm (13.000 km) dưới ngọn đám mây, là một sự pha trộn hỗn loạn của các hạt nhân hydro miễn phí - mà chỉ là proton duy nhất - xen kẽ với các electron tự do. Chất này trở lại pha lỏng, nhưng những gì làm cho hydro hydro bây giờ hoàn toàn tách rời thành các bộ phận cấu thành của nó. Khi điều này xảy ra ở nhiệt độ rất cao và áp suất thấp, chúng tôi gọi đây là plasma - thứ tương tự như phần lớn của mặt trời hoặc tia sét.
Nhưng trong sâu thẳm của Sao Mộc, áp lực buộc hydro hoạt động khác nhiều so với plasma. Thay vào đó, nó có tính chất gần giống với kim loại. Do đó: hydro kim loại lỏng.
Hầu hết các yếu tố trên bảng tuần hoàn là kim loại: Chúng cứng và sáng bóng, và tạo ra các chất dẫn điện tốt. Các phần tử có được các tính chất đó từ sự sắp xếp mà chúng tự tạo ra ở nhiệt độ và áp suất bình thường: Chúng liên kết với nhau để tạo thành một mạng tinh thể và mỗi phần tặng một hoặc nhiều electron cho nồi cộng đồng. Những electron phân tách này tự do đi lang thang, nhảy từ nguyên tử này sang nguyên tử khác tùy ý.
Nếu bạn lấy một thỏi vàng và nung chảy nó, bạn vẫn có tất cả các lợi ích chia sẻ electron của kim loại (ngoại trừ độ cứng), vì vậy "kim loại lỏng" không phải là một khái niệm xa lạ. Và một số nguyên tố thường không phải là kim loại, như carbon, có thể đảm nhận các tính chất đó theo các thỏa thuận hoặc điều kiện nhất định.
Vì vậy, ở lần đầu tiên, "hydro kim loại" không phải là một ý tưởng kỳ lạ: Đó chỉ là một nguyên tố phi kim bắt đầu hoạt động như một kim loại ở nhiệt độ và áp suất cao. [Lab-Made 'Metal Hydrogen' có thể cách mạng hóa nhiên liệu tên lửa]
Một khi đã thoái hóa, luôn luôn là một sự thoái hóa
Những gì ồn ào?
Sự ồn ào lớn là hydro kim loại không phải là kim loại điển hình. Các kim loại trong vườn có mạng lưới các ion đặc biệt được nhúng trong một biển các electron nổi tự do. Nhưng một nguyên tử hydro bị tước bỏ chỉ là một proton duy nhất và không có gì một proton có thể làm để tạo ra một mạng tinh thể.
Khi bạn siết chặt vào một thanh kim loại, bạn đang cố gắng buộc các ion lồng vào nhau gần nhau hơn, điều mà chúng cực kỳ ghét. Lực đẩy tĩnh điện cung cấp tất cả sự hỗ trợ mà kim loại cần phải mạnh mẽ. Nhưng proton lơ lửng trong chất lỏng? Điều đó nên dễ dàng hơn nhiều để squish. Làm thế nào hydro kim loại lỏng bên trong Sao Mộc có thể hỗ trợ trọng lượng nghiền của khí quyển bên trên nó?
Câu trả lời là áp lực thoái hóa, một sự giải quyết cơ học lượng tử của vật chất trong điều kiện khắc nghiệt. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng các điều kiện cực đoan chỉ có thể được tìm thấy trong các môi trường kỳ lạ, cực đoan như sao lùn trắng và sao neutron, nhưng hóa ra chúng ta có một ví dụ ngay trong sân sau của mặt trời. Ngay cả khi các lực điện từ bị áp đảo, các hạt giống hệt như electron chỉ có thể được nén rất chặt với nhau - chúng từ chối chia sẻ cùng một trạng thái cơ học lượng tử.
Nói cách khác, các electron sẽ không bao giờ chia sẻ cùng mức năng lượng, điều đó có nghĩa là chúng sẽ tiếp tục chồng chất lên nhau, không bao giờ lại gần nhau hơn, ngay cả khi bạn siết thật mạnh, thực sự khó khăn.
Một cách khác để xem xét tình huống là thông qua cái gọi là nguyên lý bất định Heisenberg: Nếu bạn cố gắng xác định vị trí của một electron bằng cách đẩy vào nó, vận tốc của nó có thể trở nên rất lớn, dẫn đến một lực áp lực không thể ép thêm nữa.
Vì vậy, bên trong Sao Mộc thực sự kỳ lạ - một loại súp proton và electron, được nung nóng ở nhiệt độ cao hơn bề mặt của mặt trời, chịu áp lực mạnh hơn hàng triệu lần so với Trái đất và buộc phải tiết lộ bản chất lượng tử thực sự của chúng.
Tìm hiểu thêm bằng cách nghe tập phim "Cái gì trên thế giới là hydro kim loại?" trên podcast Ask A Spaceman, có sẵn trên iTunes và trên web tại askaspaceman.com. Cảm ơn Tom S., @Upguntha, Andres C. và Colin E. vì những câu hỏi dẫn đến tác phẩm này! Đặt câu hỏi của riêng bạn trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc theo [email protected]/PaulMattSutter.
