17K
В эксперименте, который имитировал внутренние условия ледяных планет-гигантов Солнечной системы, ученые впервые наблюдали «алмазный дождь». Исследование опубликовано в Nature Astronomy 21 августа 2017 года.
Чрезвычайно высокое давление сжимает водород и углерод, находящиеся внутри этих планет, и формирует твердые алмазы, медленно опускающиеся к недрам гигантов. Предполагается, что «сверкающие осадки» находятся на расстоянии более 8000 километров ниже поверхности Урана и Нептуна и создаются из часто встречающихся водорода и углерода. Недра обеих планет похожи, они скрывают твердые ядра, которые окружены густой смесью разных льдов из молекул водорода, связанных с углеродом, кислородом и азотом.
Исследователи смоделировали предполагаемую среду с помощью ударных волн в пластике, используя оптический лазер на приборе Matter in Extreme Conditions (MEC) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США).
В эксперименте они получили включение почти каждого атома углерода исходного пластика в небольшие алмазные структуры шириной до нескольких нанометров. По прогнозам, на Уране и Нептуне алмазы станут намного больше, до миллиона каратов. Исследователи также считают, что тысячи лет алмазы медленно погружаются в слои льда и собираются в толстый слой вокруг ядра.
«Раньше исследователи только предполагали формирование алмазов. Когда я увидел результаты последнего эксперимента, это был один из лучших моментов моей научной карьеры!» – сказал Доминик Краус, ученый из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) и ведущий автор публикации.
Ранние эксперименты, которые пытались воссоздать алмазный дождь в аналогичных условиях, не смогли зафиксировать измерения в реальном времени. Теперь ученые могут создать экстремальные условия, при которых крошечные алмазы образуются за очень короткое время. Высокоэнергетические оптические лазеры в MEC в сочетании с рентгеновскими импульсами длительностью несколько фемтосекунд (10−15 секунд) позволили ученым непосредственно измерить химическую реакцию.
Представленные результаты являются первым однозначным наблюдением образования алмазов высокого давления, согласующимся с теоретическими предсказаниями, и предоставляют ученым лучшую информацию для описания и классификации других миров.
Превращение пластика в алмаз
В эксперименте пластик имитирует соединения, образованные из молекул метана (CH4), вызывающих отчетливый голубой оттенок Нептуна. Команда изучила полистирол, который изготовлен из смеси водорода и углерода, ключевых компонентов общего химического состава ледяных планет-гигантов.
В промежуточных слоях Нептуна и Урана метан образует углеводородные цепи, которые гипотетически реагируют на высокое давление и температуру в более глубоких слоях, и образуются сверкающие осадки.
Исследователи использовали мощный оптический лазер для создания пар ударных волн в пластике с правильной комбинацией температуры и давления. Когда ударные волны перекрываются, давление достигает максимума и образуется большая часть алмазов.
В эти моменты команда исследовала реакцию с импульсами рентгеновских лучей, которые длились всего 50 фемтосекунд. Это позволило им увидеть маленькие алмазы, которые формируются в доли секунды с помощью техники, называемой фемтосекундной дифракцией рентгеновских лучей.
Наноалмазы в работе
Когда астрономы наблюдают экзопланеты вне Солнечной системы, они могут измерить их массу и радиус. Связь между ними используется для классификации планеты и помогает определить, состоит она из более тяжелых или более легких элементов.
Информация из исследований о том, как элементы смешиваются и сжимаются под давлением внутри планеты, может изменить вычисление взаимосвязи массы и радиуса, позволяя ученым точнее моделировать и классифицировать отдельные планеты. В частности, выпадение «алмазного дождя» может быть дополнительным источником энергии, выделяющим тепло. Таким образом, лабораторные эксперименты дополняют наблюдения спутников и телескопов.
В дополнение к знаниям в планетарной науке наноалмазы, созданные на Земле, применяются в коммерческих целях: в медицине, научном оборудовании и электронике. Лазерное производство предлагает более чистый и легко контролируемый метод.
Исследование сжатия веществ также помогает ученым понять и улучшить эксперименты по слиянию, в которых водород объединяется в гелий для получения огромного количества энергии. Этот процесс подпитывает Солнце и другие звезды, но еще не реализуется контролируемым образом для электростанций на Земле.