Abaixo das nuvens rodopiantes de Júpiter, o elemento comum hidrogênio existe em um estado muito estranho.
(Imagem: © Lella Erceg, Liceu Francês de Toronto / NASA / SwRI / MSSS)
Paul Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohio e o principal cientista do centro de ciências COSI. Sutter também é apresentador do Ask a Spaceman e Space Radio, e lidera o AstroTours ao redor do mundo. Sutter contribuiu com este artigo para Expert Voices: Op-Ed & Insights da Space.com.
Sólido. Líquido. Gás. Os materiais que nos cercam em nosso mundo cotidiano normal são divididos em três campos organizados. Aqueça um cubo sólido de água (também conhecido como gelo) e, quando atinge uma certa temperatura, muda de fase para líquido. Continue aumentando o calor e, eventualmente, você terá um gás: vapor de água.
Cada elemento e molécula tem seu próprio "diagrama de fases", um mapa do que você deve encontrar se aplicar uma temperatura e pressão específicas. O diagrama é exclusivo para cada elemento, pois depende do arranjo atômico / molecular preciso e de como ele interage consigo mesmo sob várias condições; portanto, cabe aos cientistas exibir esses diagramas através de experiências árduas e de uma teoria cuidadosa. [As histórias mais estranhas sobre o espaço de 2017]
Quando se trata de hidrogênio, geralmente não o encontramos, exceto quando o oxigênio é usado para tornar a água mais familiar. Mesmo quando o obtemos por si só, sua timidez impede que ele interaja conosco - ele se forma como uma molécula diatômica, quase sempre como um gás. Se você prender um pouco em uma garrafa e reduzir a temperatura para 33 kelvins (menos 400 graus Fahrenheit ou menos 240 graus Celsius), o hidrogênio se tornará um líquido e, a 14 K (menos 434 graus F ou menos 259 graus C), torna-se um sólido.
Você pensaria que no extremo oposto da escala de temperatura, um gás quente de hidrogênio ficaria ... um gás quente. E isso é verdade, desde que a pressão seja mantida baixa. Mas a combinação de alta temperatura e alta pressão leva a alguns comportamentos interessantes.
Mergulhos profundos jovianos
Na Terra, como vimos, o comportamento do hidrogênio é direto. Mas Júpiter não é a Terra, e o hidrogênio encontrado em abundância dentro e abaixo das grandes faixas e tempestades rodopiantes de sua atmosfera pode ser empurrado além de seus limites normais.
Enterrados bem abaixo da superfície visível do planeta, as pressões e a temperatura aumentam drasticamente, e o hidrogênio gasoso cede lentamente a uma camada de híbrido gás-líquido supercrítico. Devido a essas condições extremas, o hidrogênio não pode se estabelecer em um estado reconhecível. Está muito quente para ficar líquido, mas sob muita pressão para flutuar livremente como um gás - é um novo estado da matéria.
Desça mais fundo e fica ainda mais estranho.
Mesmo em seu estado híbrido, em uma fina camada logo abaixo do topo das nuvens, o hidrogênio ainda está flutuando como uma molécula diatômica de dois por um. Mas a pressões suficientes (digamos, um milhão de vezes mais intensas que a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar), mesmo esses laços fraternos não são fortes o suficiente para resistir às compressões avassaladoras, e eles se rompem.
O resultado, abaixo de aproximadamente 13.000 km sob o topo das nuvens, é uma mistura caótica de núcleos livres de hidrogênio - que são apenas prótons únicos - misturados com elétrons liberados. A substância reverte para uma fase líquida, mas o que faz o hidrogênio hidrogênio agora está completamente desassociado em suas partes componentes. Quando isso acontece em temperaturas muito altas e baixas pressões, chamamos isso de plasma - o mesmo material que a maior parte do sol ou um raio.
Mas nas profundezas de Júpiter, as pressões forçam o hidrogênio a se comportar de maneira muito diferente do plasma. Em vez disso, assume propriedades mais semelhantes às de um metal. Portanto: hidrogênio metálico líquido.
A maioria dos elementos na tabela periódica são metais: são duros e brilhantes, e são bons condutores elétricos. Os elementos obtêm essas propriedades do arranjo que fazem consigo mesmos em temperaturas e pressões normais: eles se ligam para formar uma treliça e cada um doa um ou mais elétrons para o pote da comunidade. Esses elétrons dissociados vagam livremente, pulando de átomo em átomo como bem entenderem.
Se você pegar uma barra de ouro e derretê-la, ainda terá todos os benefícios de um metal para compartilhamento de elétrons (exceto a dureza); portanto, "metal líquido" não é um conceito tão estranho. E alguns elementos que normalmente não são metálicos, como o carbono, podem assumir essas propriedades sob certos arranjos ou condições.
Então, à primeira vista, "hidrogênio metálico" não deve ser uma idéia tão estranha: é apenas um elemento não metálico que começa a se comportar como um metal a altas temperaturas e pressões. [Hidrogênio metálico produzido em laboratório pode revolucionar o combustível de foguetes]
Uma vez degenerado, sempre degenerado
Qual é o grande barulho?
O grande problema é que o hidrogênio metálico não é um metal típico. Os metais das variedades de jardins têm essa estrutura especial de íons embutidos em um mar de elétrons flutuantes. Mas um átomo de hidrogênio despojado é apenas um próton e não há nada que um próton possa fazer para construir uma rede.
Quando você aperta uma barra de metal, tenta forçar os íons entrelaçados mais próximos, o que eles absolutamente odeiam. A repulsão eletrostática fornece todo o suporte que um metal precisa para ser forte. Mas prótons suspensos em um fluido? Isso deveria ser muito mais fácil de esmagar. Como o hidrogênio metálico líquido dentro de Júpiter suporta o peso esmagador da atmosfera acima dele?
A resposta é a pressão da degeneração, uma peculiaridade mecânica quântica da matéria sob condições extremas. Os pesquisadores pensam que condições extremas podem ser encontradas apenas em ambientes exóticos e ultradensos, como anãs brancas e estrelas de nêutrons, mas acontece que temos um exemplo no nosso quintal solar. Mesmo quando as forças eletromagnéticas são sobrecarregadas, partículas idênticas, como elétrons, só podem ser espremidas com tanta força - elas se recusam a compartilhar o mesmo estado mecânico quântico.
Em outras palavras, os elétrons nunca compartilharão o mesmo nível de energia, o que significa que eles continuarão se acumulando, nunca se aproximando, mesmo se você apertar com muita força.
Outra maneira de encarar a situação é através do chamado princípio da incerteza de Heisenberg: se você tentar definir a posição de um elétron pressionando-o, sua velocidade poderá se tornar muito grande, resultando em uma força de pressão que resiste a mais pressão.
Portanto, o interior de Júpiter é realmente estranho - uma sopa de prótons e elétrons, aquecida a temperaturas mais altas que a da superfície do sol, sofrendo pressões um milhão de vezes mais fortes que as da Terra e forçada a revelar sua verdadeira natureza quântica.
Saiba mais ouvindo o episódio "O que no mundo é hidrogênio metálico?" no podcast Ask A Spaceman, disponível no iTunes e na web em askaspaceman.com. Obrigado a Tom S., @Upguntha, Andres C. e Colin E. pelas perguntas que levaram a esta peça! Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo [email protected]/PaulMattSutter.
