Di bawah puncak awan Jupiter yang berputar-putar, unsur hidrogen yang umum ada dalam keadaan yang sangat aneh.
(Gambar: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter adalah seorang astrofisika di The Ohio State University dan kepala ilmuwan di pusat sains COSI. Sutter juga menjadi pembawa acara Ask a Spaceman dan Space Radio, dan memimpin AstroTours di seluruh dunia. Sutter menyumbangkan artikel ini untuk Suara Ahli Space.com: Op-Ed & Insights.
Padat. Cair. Gas. Bahan-bahan yang mengelilingi kita di dunia normal kita sehari-hari dibagi menjadi tiga kubu yang rapi. Panaskan kubus padat air (alias es), dan ketika mencapai suhu tertentu, ia mengubah fase menjadi cairan. Terus panaskan cranking, dan akhirnya, Anda akan memiliki gas: uap air.
Setiap elemen dan molekul memiliki "diagram fase" sendiri, peta dari apa yang harus Anda temui jika Anda menerapkan suhu dan tekanan tertentu untuknya. Diagram ini unik untuk setiap elemen karena tergantung pada susunan atom / molekul yang tepat dan bagaimana ia berinteraksi dengan dirinya sendiri dalam berbagai kondisi, sehingga terserah kepada para ilmuwan untuk menggali diagram ini melalui eksperimen yang sulit dan teori yang cermat. [Kisah Ruang Aneh 2017]
Ketika berbicara tentang hidrogen, kita biasanya tidak menemukannya sama sekali, kecuali ketika itu menggunakan oksigen untuk membuat air lebih akrab. Bahkan ketika kita mendapatkannya dengan kesepian, rasa malu mencegahnya berinteraksi dengan kita sendiri - itu berpasangan sebagai molekul diatomik, hampir selalu sebagai gas. Jika Anda menjebak beberapa di dalam botol dan menarik temp ke 33 kelvin (minus 400 derajat Fahrenheit, atau minus 240 derajat Celsius), hidrogen menjadi cairan, dan pada 14 K (minus 434 derajat F atau minus 259 derajat C), itu menjadi padat.
Anda akan berpikir bahwa di ujung skala suhu yang berlawanan, gas panas hidrogen akan tetap ... gas panas. Dan itu benar, selama tekanannya tetap rendah. Tetapi kombinasi suhu tinggi dan tekanan tinggi menyebabkan beberapa perilaku menarik.
Penyelaman yang dalam
Di Bumi, seperti yang telah kita lihat, perilaku hidrogen sangat mudah. Tapi Jupiter bukan Bumi, dan hidrogen yang ditemukan berlimpah di dalam dan di bawah ikatan besar dan badai yang berputar-putar di atmosfernya dapat didorong melampaui batas normal.
Terkubur jauh di bawah permukaan planet yang terlihat, tekanan dan suhu naik secara dramatis, dan gas hidrogen perlahan memberi jalan ke lapisan hibrida gas-cair superkritis. Karena kondisi ekstrim ini, hidrogen tidak dapat mengendap menjadi keadaan yang dapat dikenali. Terlalu panas untuk tetap menjadi cairan tetapi di bawah tekanan terlalu banyak untuk mengapung bebas sebagai gas - ini adalah masalah baru.
Turun lebih dalam, dan itu semakin asing.
Bahkan dalam keadaan hibrida dalam lapisan tipis tepat di bawah puncak awan, hidrogen masih memantul sebagai molekul diatomik dua-untuk-satu. Tetapi pada tekanan yang cukup (katakanlah, sejuta kali lebih kuat dari tekanan udara Bumi di permukaan laut), bahkan ikatan persaudaraan itu tidak cukup kuat untuk menahan tekanan yang luar biasa, dan mereka putus.
Hasilnya, di bawah sekitar 8.000 mil (13.000 km) di bawah puncak awan, adalah campuran kacau dari inti hidrogen bebas - yang hanya proton tunggal - bercampur dengan elektron yang dibebaskan. Zat tersebut kembali ke fase cair, tetapi apa yang membuat hidrogen hidrogen sekarang sepenuhnya dipisahkan menjadi bagian-bagian komponennya. Ketika ini terjadi pada suhu yang sangat tinggi dan tekanan rendah, kami menyebutnya plasma - hal yang sama dengan sebagian besar matahari atau petir.
Tetapi di kedalaman Jupiter, tekanan memaksa hidrogen untuk berperilaku jauh berbeda dari plasma. Sebaliknya, dibutuhkan sifat yang lebih mirip dengan logam. Oleh karena itu: hidrogen logam cair.
Sebagian besar elemen pada tabel periodik adalah logam: Mereka keras dan berkilau, dan menghasilkan konduktor listrik yang baik. Unsur-unsur mendapatkan sifat-sifat tersebut dari pengaturan yang mereka buat sendiri pada suhu dan tekanan normal: Mereka terhubung untuk membentuk kisi, dan masing-masing menyumbangkan satu atau lebih elektron ke pot komunitas. Elektron yang dipisahkan ini berkeliaran dengan bebas, melompat dari satu atom ke atom sesuka mereka.
Jika Anda mengambil sebatang emas dan mencairkannya, Anda masih memiliki semua manfaat berbagi elektron dari logam (kecuali kekerasan), jadi "logam cair" tidak semuanya konsep asing. Dan beberapa elemen yang biasanya tidak logam, seperti karbon, dapat mengambil sifat-sifat tersebut di bawah pengaturan atau kondisi tertentu.
Jadi, pada blush on pertama, "logam hidrogen" seharusnya tidak menjadi ide yang aneh: Itu hanya elemen non logam yang mulai berperilaku sebagai logam pada suhu dan tekanan tinggi. ['Metalik Hidrogen' Buatan Lab Bisa Merevolusi Bahan Bakar Roket]
Sekali merosot, selalu merosot
Apa masalahnya?
Keributan besar adalah bahwa hidrogen logam bukanlah logam yang khas. Logam varietas taman memiliki kisi-kisi ion yang tertanam di lautan elektron bebas-mengambang. Tetapi atom hidrogen yang dilucuti hanyalah sebuah proton tunggal, dan tidak ada yang dapat dilakukan proton untuk membangun kisi.
Ketika Anda menekan batang logam, Anda mencoba untuk memaksa ion yang saling terkait lebih dekat, yang mereka benci. Tolak elektrostatik memberikan semua dukungan yang dibutuhkan logam untuk menjadi kuat. Tapi proton tersuspensi dalam fluida? Seharusnya lebih mudah dipencet. Bagaimana hidrogen metalik cair di dalam Jupiter dapat menopang berat atmosfer di atasnya?
Jawabannya adalah tekanan degenerasi, kekhasan mekanika kuantum materi dalam kondisi ekstrem. Para peneliti berpikir kondisi yang ekstrim hanya dapat ditemukan di lingkungan eksotis, ultradense seperti bintang katai putih dan bintang neutron, tetapi ternyata kita memiliki contoh tepat di halaman belakang matahari kita. Bahkan ketika gaya-gaya elektromagnetik kewalahan, partikel-partikel identik seperti elektron hanya dapat terjepit begitu erat bersama-sama - mereka menolak untuk berbagi keadaan mekanika kuantum yang sama.
Dengan kata lain, elektron tidak akan pernah berbagi tingkat energi yang sama, yang berarti mereka akan terus menumpuk satu sama lain, tidak pernah semakin dekat, bahkan jika Anda menekan sangat, sangat keras.
Cara lain untuk melihat situasinya adalah melalui apa yang disebut prinsip ketidakpastian Heisenberg: Jika Anda mencoba menjabarkan posisi elektron dengan mendorongnya, kecepatannya bisa menjadi sangat besar, menghasilkan gaya tekanan yang menahan tekanan lebih lanjut.
Jadi interior Jupiter memang aneh - sup proton dan elektron, yang dipanaskan pada suhu yang lebih tinggi dari permukaan matahari, mengalami tekanan jutaan kali lebih kuat daripada yang ada di Bumi, dan dipaksa untuk mengungkapkan sifat kuantum mereka yang sebenarnya.
Pelajari lebih lanjut dengan mendengarkan episode "Apa itu hidrogen metalik?" di podcast Ask A Spaceman, tersedia di iTunes dan di web di askaspaceman.com. Terima kasih kepada Tom S., @Upguntha, Andres C., dan Colin E. untuk pertanyaan yang mengarah ke bagian ini! Ajukan pertanyaan Anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti [email protected]/PaulMattSutter.
