Au-dessous des sommets tourbillonnants de Jupiter, l'hydrogène, élément commun, existe dans un état très étrange.
(Image: © Lella Erceg, Lycée français de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter est astrophysicien à l'Ohio State University et scientifique en chef au COSI science center. Sutter est également l'hôte de Ask a Spaceman et Space Radio, et dirige AstroTours à travers le monde. Sutter a contribué cet article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de Space.com.
Solide. Liquide. Gaz. Les matériaux qui nous entourent dans notre monde normal et quotidien sont divisés en trois camps soignés. Faites chauffer un solide cube d'eau (alias glace) et lorsqu'il atteint une certaine température, il change de phase en liquide. Continuez à faire monter la chaleur, et finalement, vous aurez un gaz: de la vapeur d'eau.
Chaque élément et molécule a son propre «diagramme de phase», une carte de ce à quoi vous devez vous attendre si vous lui appliquez une température et une pression spécifiques. Le diagramme est unique à chaque élément car il dépend de l'arrangement atomique / moléculaire précis et de la façon dont il interagit avec lui-même dans diverses conditions.Il appartient donc aux scientifiques de mettre au point ces diagrammes par une expérimentation ardue et une théorie prudente. [Les histoires spatiales les plus étranges de 2017]
En ce qui concerne l'hydrogène, nous ne le rencontrons généralement pas du tout, sauf lorsqu'il est copié avec de l'oxygène pour rendre l'eau plus familière. Même lorsque nous l'obtenons par solitude, sa timidité l'empêche d'interagir avec nous seul - il se couple comme une molécule diatomique, presque toujours comme un gaz. Si vous en emprisonnez dans une bouteille et abaissez la température à 33 kelvins (moins 400 degrés Fahrenheit, ou moins 240 degrés Celsius), l'hydrogène devient un liquide, et à 14 K (moins 434 degrés F ou moins 259 degrés C), il devient un solide.
On pourrait penser qu'à l'autre extrémité de l'échelle de température, un gaz d'hydrogène chaud resterait… un gaz chaud. Et c'est vrai, tant que la pression est maintenue basse. Mais la combinaison de haute température et haute pression conduit à des comportements intéressants.
Plongées profondes joviennes
Sur Terre, comme nous l'avons vu, le comportement de l'hydrogène est simple. Mais Jupiter n'est pas la Terre, et l'hydrogène trouvé en abondance à l'intérieur et sous les grandes bandes et les tempêtes tourbillonnantes de son atmosphère peut être poussé au-delà de ses limites normales.
Enfoui profondément sous la surface visible de la planète, les pressions et la température augmentent considérablement, et l'hydrogène gazeux cède lentement la place à une couche d'hybride gaz-liquide supercritique. En raison de ces conditions extrêmes, l'hydrogène ne peut pas s'installer dans un état reconnaissable. Il est trop chaud pour rester liquide mais sous trop de pression pour flotter librement sous forme de gaz - c'est un nouvel état de la matière.
Descendez plus profondément et cela devient encore plus étrange.
Même dans son état hybride dans une couche mince juste sous le sommet des nuages, l'hydrogène rebondit toujours sous la forme d'une molécule diatomique deux pour un. Mais à des pressions suffisantes (disons, un million de fois plus intenses que la pression atmosphérique de la Terre au niveau de la mer), même ces liens fraternels ne sont pas assez forts pour résister aux compressions écrasantes, et ils se cassent.
Le résultat, en dessous d'environ 1300 km sous les sommets des nuages, est un mélange chaotique de noyaux d'hydrogène libres - qui ne sont que des protons simples - entremêlés d'électrons libérés. La substance revient à une phase liquide, mais ce qui fait l'hydrogène, l'hydrogène est maintenant complètement dissocié en ses composants. Lorsque cela se produit à des températures très élevées et à de basses pressions, nous appelons cela un plasma - la même chose que la majeure partie du soleil ou un éclair.
Mais dans les profondeurs de Jupiter, les pressions forcent l'hydrogène à se comporter très différemment d'un plasma. Au lieu de cela, il prend des propriétés plus proches de celles d'un métal. D'où: l'hydrogène métallique liquide.
La plupart des éléments du tableau périodique sont des métaux: ils sont durs et brillants et constituent de bons conducteurs électriques. Les éléments obtiennent ces propriétés de l'arrangement qu'ils font avec eux-mêmes à des températures et des pressions normales: ils se lient pour former un réseau, et chacun donne un ou plusieurs électrons au pot communautaire. Ces électrons dissociés errent librement, sautant d'atome en atome à leur guise.
Si vous prenez une barre d'or et la faites fondre, vous avez toujours tous les avantages du partage d'électrons d'un métal (sauf la dureté), donc le "métal liquide" n'est pas si étranger qu'un concept. Et certains éléments qui ne sont pas normalement métalliques, comme le carbone, peuvent prendre ces propriétés sous certaines dispositions ou conditions.
Donc, à première vue, "l'hydrogène métallique" ne devrait pas être une idée aussi étrange: c'est juste un élément non métallique qui commence à se comporter comme un métal à des températures et des pressions élevées. [L'hydrogène métallique fabriqué en laboratoire pourrait révolutionner le carburant des fusées]
Une fois dégénéré, toujours dégénéré
Quel est le gros problème?
Le gros problème est que l'hydrogène métallique n'est pas un métal typique. Les métaux de variété de jardin ont ce réseau spécial d'ions intégré dans une mer d'électrons flottants. Mais un atome d'hydrogène dépouillé n'est qu'un simple proton, et il n'y a rien qu'un proton puisse faire pour construire un réseau.
Lorsque vous appuyez sur une barre de métal, vous essayez de rapprocher les ions imbriqués, qu'ils détestent absolument. La répulsion électrostatique fournit tout le soutien dont un métal a besoin pour être solide. Mais des protons suspendus dans un fluide? Cela devrait être beaucoup plus facile à écraser. Comment l'hydrogène métallique liquide à l'intérieur de Jupiter peut-il supporter le poids écrasant de l'atmosphère au-dessus d'elle?
La réponse est la pression de dégénérescence, une bizarrerie mécanique quantique de la matière dans des conditions extrêmes. Les chercheurs pensaient que des conditions extrêmes ne pouvaient être trouvées que dans des environnements ultradenses exotiques comme les naines blanches et les étoiles à neutrons, mais il s'avère que nous avons un exemple dans notre jardin solaire. Même lorsque les forces électromagnétiques sont submergées, des particules identiques comme les électrons ne peuvent être serrées que si étroitement ensemble - elles refusent de partager le même état mécanique quantique.
En d'autres termes, les électrons ne partageront jamais le même niveau d'énergie, ce qui signifie qu'ils continueront à s'accumuler les uns sur les autres, sans jamais se rapprocher, même si vous serrez vraiment, vraiment fort.
Une autre façon de voir la situation est via le soi-disant principe d'incertitude de Heisenberg: si vous essayez de déterminer la position d'un électron en poussant dessus, sa vitesse peut devenir très grande, ce qui entraîne une force de pression qui résiste à une nouvelle compression.
L'intérieur de Jupiter est donc vraiment étrange - une soupe de protons et d'électrons, chauffée à des températures plus élevées que celle de la surface du soleil, subissant des pressions un million de fois plus fortes que celles de la Terre, et forcées de révéler leur véritable nature quantique.
Apprenez-en plus en écoutant l'épisode "Qu'est-ce que l'hydrogène métallique dans le monde?" sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à askaspaceman.com. Merci à Tom S., @Upguntha, Andres C. et Colin E. pour les questions qui ont mené à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant [email protected]/PaulMattSutter.
