木星の渦巻く雲の頂上の下には、共通の要素である水素が非常に奇妙な状態で存在しています。
（画像：©Lella Erceg、Lycee Francais de Toronto / NASA / SwRI / MSSS）
ポールサッターは、オハイオ州立大学の天体物理学者であり、COSI科学センターの主任科学者です。サッターは、Ask a SpacemanとSpace Radioのホストでもあり、世界中のAstroToursをリードしています。 Sutterはこの記事をSpace.comのExpert Voices：Op-Ed＆Insightsに寄稿しました。
固体。液体。ガス。私たちの日常生活の中で私たちを取り巻く素材は、3つのきちんとしたキャンプに分かれています。水の固い立方体（別名：氷）を加熱し、一定の温度に達すると、相を液体に変えます。熱をクランクし続けると、最終的にはガス、つまり水蒸気が発生します。
すべての要素と分子には、独自の「相図」があります。これは、特定の温度と圧力を加えた場合に遭遇するはずのマップです。ダイアグラムは、正確な原子/分子の配置とさまざまな条件下でそれがどのように相互作用するかに依存するため、各要素に固有です。したがって、困難な実験と注意深い理論を通じてこれらのダイアグラムを引き出すのは科学者の責任です。 [2017年の奇妙な宇宙物語]
水素に関しては、酸素で満たされ、より身近な水を作る場合を除いて、通常はまったく発生しません。孤独でそれを得たとしても、その恥ずかしさはそれが私たちと単独で相互作用することを防ぎます—それは二原子分子として、ほとんど常にガスとして対になります。ボトルに一部を閉じ込めて温度を33ケルビン（華氏マイナス400度、またはマイナス240度）に引き下げると、水素は液体になり、14 K（マイナス華氏434度またはマイナス259度）では、固体になります。
温度スケールの反対側では、水素の高温ガスがとどまるだろうと思います…高温ガス。そして圧力が低く保たれている限り、それは本当です。しかし、高温と高圧の組み合わせにより、いくつかの興味深い動作が生じます。
木星ディープダイブ
地球では、これまで見てきたように、水素の挙動は単純です。しかし、木星は地球ではありません。大きなバンド内とその下に豊富に見られる水素とその大気の渦巻く嵐は、通常の制限を超えて押し出される可能性があります。
惑星の目に見える表面の下深くに埋もれ、圧力と温度が劇的に上昇し、水素ガスがゆっくりと超臨界気液ハイブリッドの層に道を譲ります。これらの極端な条件のため、水素は認識可能な状態に落ち着くことができません。液体のままでいるには熱すぎますが、圧力が高すぎて気体として自由に浮遊することはできません。これは新しい状態です。
深く降下すると、さらに不思議になります。
雲頂直下の薄層のハイブリッド状態でも、水素は2対1の二原子分子として跳ね回っています。しかし、十分な圧力（たとえば、海面での地球の気圧よりも100倍強い）では、それらの兄弟間の結合でさえ、圧倒的な圧縮に耐えるほど強くはなく、スナップします。
その結果、雲の頂上でおよそ8,000マイル（13,000 km）を下回ると、解放された電子と混ざり合った自由な水素原子核（単一の陽子のみ）の無秩序な混合が生じます。物質は液相に戻りますが、水素を水素にするものは、その構成部分に完全に分離されます。これが非常に高い温度と低圧で発生するとき、これをプラズマと呼びます。これは、太陽の大部分または稲妻と同じものです。
しかし、木星の深部では、圧力によって水素がプラズマとは大きく異なる動作をします。代わりに、それは金属の特性により近い特性を帯びます。したがって、液体金属水素。
周期表のほとんどの元素は金属です。硬くて光沢があり、優れた導電体を形成します。要素は、通常の温度と圧力でそれら自身が作る配置からこれらの特性を取得します。それらは結合して格子を形成し、それぞれが1つ以上の電子をコミュニティーポットに提供します。これらの解離した電子は自由に動き回り、好きなように原子間を行き来します。
金の延べ棒を取り、それを溶かす場合でも、金属のすべての電子共有の利点（硬度を除く）があるため、「液体金属」はそれほど概念的ではありません。そして、炭素のように通常金属ではないいくつかの要素は、特定の配置または条件の下でそれらの特性を引き受けることができます。
したがって、最初に赤くなると、「金属水素」はそれほど奇妙な考えではないはずです。高温高圧で金属として振る舞うのは単なる非金属元素です。 [ラボ製の「金属水素」はロケット燃料に革命を起こす可能性がある]
縮退すると、常に縮退します
大騒ぎは何ですか？
大騒ぎは、金属水素は典型的な金属ではないということです。庭のさまざまな金属は、自由に浮遊する電子の海に埋め込まれたイオンのその特別な格子を持っています。しかし、取り除かれた水素原子は単一の陽子であり、陽子が格子を構築するためにできることは何もありません。
金属の棒を握ると、連動するイオンを強制的に接近させようとします。静電反発力は、金属が強い必要があるすべてのサポートを提供します。しかし、陽子は液体中に浮遊していますか？それはつぶすのがはるかに簡単なはずです。木星内部の液体金属水素は、その上の大気の圧壊重量をどのようにサポートできるでしょうか？
答えは、縮退圧力であり、極端な条件下での物質の量子力学的癖です。研究者たちは、極端な条件は白い矮星や中性子星などのエキゾチックで超高密度の環境でのみ見つかるかもしれないと考えていましたが、私たちの例は太陽の裏庭にあることがわかりました。電磁力に圧倒された場合でも、電子のような同一の粒子は非常にきつく絞られるだけであり、同じ量子力学的状態を共有することを拒否します。
言い換えれば、電子が同じエネルギーレベルを共有することはありません。つまり、本当に強く握っても、電子は互いに重なり合い、接近することはありません。
状況を確認するもう1つの方法は、いわゆるハイゼンベルク不確定性原理によるものです。電子を押してその位置を固定しようとすると、その速度が非常に大きくなり、圧力をさらに強くしにくくなります。
そのため、木星の内部は実際には奇妙です。陽子と電子のスープは、太陽の表面の温度よりも高い温度に加熱され、地球よりも100万倍も強い圧力を受け、その真の量子的性質を明らかにしなければなりません。
エピソード「世界で金属水素は何ですか？」を聞いて詳細をご覧ください。 iTunesおよびWebでaskaspaceman.comから入手できるAsk A Spacemanポッドキャストで。この作品につながった質問をしてくれたTom S。、@ Upguntha、Andres C.、Colin E.に感謝します。 #AskASpacemanを使用するか、Paul @ PaulMattSutterfacebook.com / PaulMattSutterをフォローして、Twitterでご質問ください。
