Debajo de las nubes de Júpiter, el elemento común hidrógeno existe en un estado muy extraño.
(Imagen: © Lella Erceg, Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter es astrofísico en la Universidad Estatal de Ohio y científico jefe en el centro de ciencias COSI. Sutter también es presentador de Ask a Spaceman y Space Radio, y dirige AstroTours en todo el mundo. Sutter contribuyó con este artículo a Expert Voices de Space.com: Op-Ed & Insights.
Sólido. Líquido. Gas. Los materiales que nos rodean en nuestro mundo normal y cotidiano se dividen en tres campamentos limpios. Calienta un cubo sólido de agua (también conocido como hielo), y cuando alcanza una cierta temperatura, cambia las fases a líquido. Sigue aumentando el calor y, eventualmente, tendrás un gas: vapor de agua.
Cada elemento y molécula tiene su propio "diagrama de fase", un mapa de lo que debe esperar encontrar si le aplica una temperatura y presión específicas. El diagrama es único para cada elemento porque depende de la disposición atómica / molecular precisa y de cómo interactúa consigo mismo bajo diversas condiciones, por lo que depende de los científicos descifrar estos diagramas a través de una ardua experimentación y una teoría cuidadosa. [Las historias espaciales más extrañas de 2017]
Cuando se trata de hidrógeno, generalmente no lo encontramos en absoluto, excepto cuando se combina con oxígeno para hacer que el agua sea más familiar. Incluso cuando lo entendemos solos, su timidez evita que interactúe solo con nosotros: se combina como una molécula diatómica, casi siempre como un gas. Si atrapa algo en una botella y baja la temperatura a 33 grados Kelvin (menos 400 grados Fahrenheit, o menos 240 grados Celsius), el hidrógeno se convierte en líquido, y a 14 K (menos 434 grados F o menos 259 grados C), se convierte en un sólido.
Se podría pensar que en el extremo opuesto de la escala de temperatura, un gas caliente de hidrógeno se mantendría ... un gas caliente. Y eso es cierto, siempre y cuando la presión se mantenga baja. Pero la combinación de alta temperatura y alta presión conduce a algunos comportamientos interesantes.
Inmersiones profundas jovianas
En la Tierra, como hemos visto, el comportamiento del hidrógeno es sencillo. Pero Júpiter no es la Tierra, y el hidrógeno que se encuentra en abundancia dentro y debajo de las grandes bandas y las tormentas de su atmósfera puede ser empujado más allá de sus límites normales.
Enterrado profundamente debajo de la superficie visible del planeta, las presiones y la temperatura aumentan dramáticamente, y el hidrógeno gaseoso lentamente da paso a una capa de híbrido gas-líquido supercrítico. Debido a estas condiciones extremas, el hidrógeno no puede establecerse en un estado reconocible. Hace demasiado calor para permanecer líquido, pero bajo demasiada presión para flotar libremente como un gas: es un nuevo estado de la materia.
Desciende más profundo, y se vuelve aún más extraño.
Incluso en su estado híbrido en una capa delgada, justo debajo de las nubes, el hidrógeno sigue rebotando como una molécula diatómica de dos por uno. Pero a presiones suficientes (digamos, un millón de veces más intensas que la presión del aire de la Tierra al nivel del mar), incluso esos vínculos fraternos no son lo suficientemente fuertes como para resistir las abrumadoras compresiones, y se rompen.
El resultado, debajo de aproximadamente 8,000 millas (13,000 km) debajo de las cimas de las nubes, es una mezcla caótica de núcleos de hidrógeno libres, que son solo protones individuales, entremezclados con electrones liberados. La sustancia vuelve a una fase líquida, pero lo que hace que el hidrógeno hidrógeno esté ahora completamente disociado en sus componentes. Cuando esto sucede a temperaturas muy altas y presiones bajas, lo llamamos plasma, lo mismo que la mayor parte del sol o un rayo.
Pero en las profundidades de Júpiter, las presiones obligan al hidrógeno a comportarse de manera muy diferente a un plasma. En cambio, adquiere propiedades más parecidas a las de un metal. Por lo tanto: hidrógeno líquido metálico.
La mayoría de los elementos en la tabla periódica son metales: son duros y brillantes, y son buenos conductores eléctricos. Los elementos obtienen esas propiedades del arreglo que hacen consigo mismos a temperaturas y presiones normales: se unen para formar una red y cada uno dona uno o más electrones a la olla comunitaria. Estos electrones disociados deambulan libremente, saltando de átomo a átomo a su antojo.
Si toma una barra de oro y la derrite, aún tiene todos los beneficios de compartir un electrón de un metal (excepto la dureza), por lo que "metal líquido" no es un concepto tan extraño. Y algunos elementos que normalmente no son metálicos, como el carbono, pueden adquirir esas propiedades bajo ciertas disposiciones o condiciones.
Entonces, a primera vista, "hidrógeno metálico" no debería ser una idea tan extraña: es solo un elemento no metálico que comienza a comportarse como un metal a altas temperaturas y presiones. [El 'hidrógeno metálico' hecho en laboratorio podría revolucionar el combustible para cohetes]
Una vez degenerado, siempre degenerado
¿Cuál es el gran alboroto?
El gran alboroto es que el hidrógeno metálico no es un metal típico. Los metales de variedades de jardín tienen esa red especial de iones incrustados en un mar de electrones que flotan libremente. Pero un átomo de hidrógeno despojado es solo un protón, y no hay nada que un protón pueda hacer para construir una red.
Cuando aprietas una barra de metal, intentas forzar los iones entrelazados para que se unan, lo que odian. La repulsión electrostática proporciona todo el soporte que un metal necesita para ser fuerte. ¿Pero los protones suspendidos en un fluido? Eso debería ser mucho más fácil de aplastar. ¿Cómo puede el hidrógeno metálico líquido dentro de Júpiter soportar el peso aplastante de la atmósfera que está por encima de él?
La respuesta es la presión de degeneración, un capricho mecánico cuántico de la materia en condiciones extremas. Los investigadores pensaron que las condiciones extremas podrían encontrarse solo en ambientes exóticos y ultradensos como enanas blancas y estrellas de neutrones, pero resulta que tenemos un ejemplo en nuestro patio trasero solar. Incluso cuando las fuerzas electromagnéticas se ven desbordadas, las partículas idénticas, como los electrones, solo se pueden apretar tan juntas: se niegan a compartir el mismo estado mecánico cuántico.
En otras palabras, los electrones nunca compartirán el mismo nivel de energía, lo que significa que seguirán acumulándose uno encima del otro, nunca más cerca, incluso si aprietas muy, muy fuerte.
Otra forma de ver la situación es a través del llamado principio de incertidumbre de Heisenberg: si intenta precisar la posición de un electrón empujándolo, su velocidad puede llegar a ser muy grande, lo que resulta en una fuerza de presión que resiste más presión.
Entonces, el interior de Júpiter es realmente extraño: una sopa de protones y electrones, calentada a temperaturas más altas que la de la superficie del sol, sufriendo presiones un millón de veces más fuertes que las de la Tierra, y obligadas a revelar su verdadera naturaleza cuántica.
Obtenga más información escuchando el episodio "¿Qué demonios es el hidrógeno metálico?" en el podcast Ask A Spaceman, disponible en iTunes y en la web en askaspaceman.com. ¡Gracias a Tom S., @Upguntha, Andres C. y Colin E. por las preguntas que llevaron a esta pieza! Haga su propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a [email protected]/PaulMattSutter.
