A Csillagvizsgáló blogon eddig is változatos témákon keresztül ismerkedtünk a Földön kívüli világgal, olvashattunk többek között asztrofizikáról, kozmológiáról, űrkutatásról és űrutazásról vagy éppen science fictionről. Most pedig egy újabb területtel igyekszünk színesíteni a palettát, mégpedig az asztrokémiával, ami azt vizsgálja, hogy milyen anyagok között milyen reakciók mennek végbe a világűrben. Az asztrokémia már csak azért is rendkívül változatos tudomány, mert egyaránt ide tartoznak a Naprendszer különböző bolygóin, a csillagrendszerek bolygói között, valamint a csillagközi térben lejátszódó kémiai folyamatok.

Témában tehát nincs hiány, elsőre viszont kezdjük valami olyannal, ami viszonylag közel áll hozzánk, legalábbis csillagászati skálán nézve, és foglalkozzunk egy kicsit a Naprendszer legnagyobb bolygójának, a Jupiternek a kémiájával.

Asztrokémiai szempontból a Jupiter valóságos aranybánya. A bolygó felső rétegeinek, az ott található felhősávoknak vagy éppen a Nagy Vörös Foltnak a vizsgálata megmutatta, hogy szervetlen kémiai szempontból mennyire változatos a Jupiter, ami főleg ammóniaszármazékoknak, illetve különböző kén- és foszforvegyületeknek köszönhető. Azonban ami a leginkább foglalkoztatja a tudomány művelőit, az nem más, mint a bolygó tömegének több mint 70%-át kitevő hidrogén szokatlan viselkedése.

A Jupiter, szerkezetét tekintve, a gázbolygók közé tartozik, 70000 km-es sugarával a Naprendszer legnagyobb bolygója. A belsejében található egy kis méretű, sziklás-jeges mag, ami a teljes tömegnek csupán néhány százalékát adja. A magtól kifelé haladva pedig szinte semmi mást nem találunk, csak és kizárólag hidrogént, kiegészítve némi héliummal és neonnal. Ez a hatalmas hidrogénmennyiség azonban korántsem homogén. A bolygó külső rétegét az általunk is ismert, kétatomos molekulákból álló hidrogéngáz alkotja, ami befelé haladva a növekvő nyomás hatására cseppfolyóssá válik. A közvetlenül a magot körülvevő réteg viszont, ami a bolygó átmérőjének 78%-át teszi ki, már nem molekuláris, hanem folyékony, fémes állapotú hidrogén. Ugyanilyen fémes hidrogén található a Naprendszer másik gázóriásának, a Szaturnusznak a belső rétegeiben, illetve több exobolygó belsejében is.

 A Jupiter belső struktúrájának főbb rétegei. (Forrás: Encyclopaedia Britannica)

De hogyan is kéne elképzelnünk a fémes hidrogént? Bár a hidrogén, a periódusos rendszer első elemeként, az alkáli fémekkel tartozik egy főcsoportba, földi körülmények között mégis kétatomos molekulákat alkot. Ennek következtében szobahőmérsékleten gáz-halmazállapotú anyagról van szó, ami nem mutat fémes tulajdonságokat, nem vezeti sem a hőt, sem az elektromos áramot, és nem jellemzőek rá az alkáli fémek tipikus reakciói sem, mint például a vízbontás. Ha a hidrogéngázt elkezdjük lehűteni és/vagy összenyomni, akkor előbb cseppfolyóssá, majd szilárddá válik, viszont még ilyenkor is megőrzi molekuláris jellegét, a molekulái pedig szabályos hexagonális rácsban helyezkednek el. Azonban ha a nyomást tovább növeljük, akkor a szilárd hidrogén további fázisátalakulásokon fog keresztülmenni. Ez más szavakkal azt jelenti, hogy az eddig szabályos hexagonális kristály rácspontjain rögzített molekulák egymáshoz viszonyított helyzete megváltozik. Először csak lokálisan szűnik meg a rendezettség, majd elérünk egy olyan fázishoz, ahol a szabályos molekulahatszögek alkotta rétegek között már szabad, kristályrácsba nem kötött molekulák találhatók. Ha pedig még tovább növeljük a nyomást, akkor, szobahőmérsékleten nagyjából 2,75 Mbar-tól kezdődően, egyre több hidrogénmolekulában fog disszociálni az atomok közötti kovalens kötés, és így  a molekuláris állapot fokozatosan átadja a helyét egy egyedi atomok masszájából álló, úgynevezett fémes fázisnak. Ebben a fémes állapotban az atomok már elég közel kerülnek ahhoz, hogy az egyes elektronok többé már nem csak egyetlen atommaghoz fognak kötődni, hanem gyakorlatilag az összes elektron egyetlen felhőként fog a hidrogénmagok között mozogni. A fémes jelleg pedig éppen ennek a szerkezeti átalakulásnak köszönhető, ugyanis ez a delokalizált felhő, ahol az elektronok képesek elmozdulni, lehetővé teszi, hogy a hidrogén szigetelőből vezető anyaggá váljon. Sőt, a fémes hidrogén kapcsán olyan különleges tulajdonságokat is feltételeznek, mint a szobahőmérsékletű szupravezetés vagy a szuperfolyékonyság. Ezek pedig megmagyarázzák azt, hogy a hidrogén fémes állapota miért izgatja a tudósok fantáziáját lassan már 90 éve.

Első alkalommal ugyanis 1935-ben Wigner Jenő és Hillard Huntington közöltek egy elméleti levezetést azzal kapcsolatban, hogy a hidrogént extrém nagy nyomásnak kitéve fémes anyagot kapunk. Bár ők még egy nagyságrenddel alulbecsülték az ehhez szükséges nyomást, azóta rengeteget fejlődött a nagynyomású fizika, a fémes hidrogén előállítása pedig a tudományág „Szent Grálja” lett. A témában megjelent számos tudományos közlemény és hangzatos bejelentés ellenére a mai napig nem sikerült reprodukálható módon fémes hidrogént előállítani sem szilárd, sem folyékony állapotban. A probléma manapság valószínűleg már nem is maga az előállítás, mert az úgynevezett gyémántüllő cella lehetővé teszi a szükséges nyomás megteremtését, hanem sokkal inkább az így előállított anyag megbízható vizsgálata. A kellően hiteles bizonyításhoz arra lenne szükség, hogy egy mindössze 2-3 μm-es cellában megmérjék az erősen reaktív hidrogén vezetőképességét, vagy pedig igazolják a hidrogénmolekulában található kovalens kötésre jellemző frekvencia eltűnését a minta rezgési spektrumából, mindezt azelőtt, hogy az előállított anyag elillanna a cellából.

Az egyik kísérlet a fémes hidrogén laboratóriumi előállítására: a kutatók egy rénium lapkát fogtak gyémántprésbe, közepén egy kevéske hidrogénnel. 335 GPa nyomás alatt (ez a földi légköri nyomás hárommillió-szorosa!) a hidrogén átlátszó volt (lent, balra)  415 GPa-on átlátszatlan, 495 GPa-on (jobbra) pedig visszaverte a rá eső fényt. Utóbbi állapotot valószínűsítik a kutatók fémes hidrogénnek. (Forrás: Science)

Miközben a Földön még csak próbálkozunk az előállításával, a Jupiteren a hatalmas mennyiségű, folyékony, fémes hidrogén meghatározó szerepet játszik a bolygó mágneses tulajdonságainak alakulásában. A Jupiter ugyanis rendkívül erős mágneses térrel rendelkezik, ami a vastag, elektromosan vezető hidrogénrétegnek köszönheti a létrejöttét. Ez az erős belső mágneses tér és így közvetve a fémes hidrogén pedig olyan jelenségeket produkál, mint például a földinél ezerszer erősebb, folyamatosan jelen lévő sarki fény.

A Jupiter sarki fényeit távolról is meg tudjuk figyelni. (Forrás_ NASA/ ESA/ Hubble)

A két bolygón megfigyelt sarki fény azonban nemcsak a fényességben különbözik egymástól, hanem a kémiájuk is nagyon eltérő. Itt a Földön a fényjelenség hátterében gerjesztett és ionizált oxigén- és nitrogénatomok állnak, az ionizálást pedig a napszélből származó, nagy energiájú részecskék végzik. Ez a mechanizmus a Jupiteren alig-alig megfigyelhető. Egyrészt a bolygó ötször távolabb van a Naptól, mint a Föld, másrészt a mágneses tere a kevéske odajutó napszelet is távol tartja a bolygó légkörétől. Van viszont a nagy energiájú részecskéknek egy másik, kimondottan a Jupiterre jellemző forrása, méghozzá a bolygóhoz legközelebbi Galilei-holdak: az Io, az Europa és a Ganymedes. Ezek a holdak, főleg az Io, folyamatosan kén-dioxidot és más semleges anyagot bocsátanak ki, ami a Jupiter körül keringve plazmává, azaz ionizált gázzá alakul, a leszakadó elektronok pedig a bolygó légköri hidrogénjével lépnek reakcióba. A légköri molekuláris, tehát kétatomos hidrogén első lépésben ionizálódik, vagyis elveszít egy elektront, és H₂⁺ ionná alakul. Ez a molekulaion ezután maga is reakcióba lép egy másik H₂-molekulával, és a reakcióból létrejön egy szabad hidrogénatom, valamint egy trihidrogén kation, azaz H₃⁺. Ez a H₃⁺ a legkisebb háromatomos rendszer, és egyben a legegyszerűbb példája a kételektronos-háromcentrumos kémiai kötésnek. Ez a fajta kötés gyengébb, mint a szokásos kételektronos-kétcentrumos változat, ezért a H₃⁺ a Jupiter légkörében is csak nagyjából 15 percig képes megmaradni, majd elbomlik. De már ez a 15 perc is elég a sarki fény kialakulásához. Viszont amíg a Földön a gerjesztett nitrogén- és oxigénatomok kék, illetve zöld és piros fényt bocsátanak ki, a gerjesztett H₃⁺ emissziója legnagyobb részben az infravörös tartományba esik.

Hiába tehát a kis tömeg és az egyszerű szerkezet, a hidrogén bőven tartogat még érdekességeket, különösen akkor, ha kilépünk a Földön megszokott körülmények korlátai közül. Arra, hogy ezeket jobban megismerjük, szerencsére jó esély mutatkozik, köszönhetően a Juno űrszondának. Ha pedig a fémes hidrogénre vonatkozó kísérletek is sikerrel járnak, akkor az újabb hatalmas lépést jelent majd a Jupiteren zajló folyamatok megértése és újfajta, különleges tulajdonságú anyagok előállítása felé egyaránt.

A NASA Juno szondájának illusztrációja, háttérben az űreszköz által készített felvétellel. (Forrás: NASA / JPL-Caltech)

Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat - tudományról és science fictionről egyaránt.