Гипотеза гласит, что сильная жара и давление в тысячах километров ниже поверхности ледяных гигантов Нептуна и Урана должны расщеплять углеводородные соединения. При этом углерод сжимается в алмаз и погружается еще глубже к ядрам планет. Теперь ученые представили новые экспериментальные данные, показывающие, как такое может быть возможно. Новое иследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
В новом эксперименте использовался первый в мире жесткий рентгеновский лазер на свободных электронах (LCLS, Linac Coherent Light Source), разработанный национальной ускорительной лабораторией SLAC для наиболее точных измерений того, как должен происходить этот процесс «алмазного дождя». Обнаружилось, что углерод переходит непосредственно в кристаллический алмаз.
Это исследование предоставляет данные о явлении, которое очень трудно смоделировать в вычислительном отношении.
Нептун и Уран — самые плохо изученные планеты в Солнечной системе. Они слишком далеко — только один космический зонд, Voyager 2, был рядом с ними. И то лишь для полета, а не для специальной долгосрочной миссии.
Но ледяные гиганты чрезвычайно распространены в Млечном пути. Согласно НАСА, экзопланеты, подобные Нептуну, в 10 раз более распространены, чем экзопланеты, подобные Юпитеру.
Именно поэтому понимание ледяных гигантов нашей Солнечной системы жизненно важно для понимания планет по всей галактике. И чтобы понять их лучше, ученым важно знать, что происходит под их спокойной голубой оболочкой.
Сейчас научное сообществе знает, что атмосфера Нептуна и Урана в основном состоит из водорода и гелия с небольшим количеством метана. Под этими слоями атмосферы ядро планеты накрывает сверхгорячая, сверхплотная жидкость из «ледяных» материалов, таких как вода, метан и аммиак.
И расчеты, и эксперименты, на которые ушли десятилетия, показали, что при достаточных давлении и температуре метан может быть разбит на алмазы — предполагая, что алмазы могут формироваться в пределах этого горячего, плотного материала.
Во время предыдущего эксперимента в SLAC физик Доминик Краус и его команда использовали рентгеновскую дифракцию. Теперь исследователи сделали еще один шаг вперед.
Теперь у нас есть очень многообещающий новый подход, основанный на рассеянии рентгеновских лучей. Наши эксперименты дают важные параметры модели, где раньше у нас была только огромная неопределенность.
Доминик Краус, физик SLACK
Сложно копировать параметры планет-гигантов здесь, на Земле. Ученым нужно довольно интенсивное оборудование — и это это LCLS. Также необходим материал, который копирует вещества внутри гигантской планеты. Для этого команда использовала углеводородный полистирол вместо метана.
Первым шагом является нагревание и повышение давления материала для воспроизведения условий внутри Нептуна на глубине около 10 тыс. км. Импульсы оптического лазера генерируют ударные волны в полистироле, который нагревает материал примерно до 5 тыс. Кельвинов (4 727 градусов по Цельсию). Это также создает интенсивное давление.
Мы производим около 1,5 млн бар, что эквивалентно давлению, которое оказывает вес около 250 африканских слонов на поверхность миниатюрной модели.
Доминик Краус, физик SLACK
В предыдущем эксперименте рентгеновская дифракция использовалась для исследования материала. Это хорошо работает для материалов с кристаллической структурой, но в меньшей степени для некристаллических молекул, поэтому картина была неполной. В новом эксперименте команда использовала другой метод, измеряя, как рентгеновские лучи рассеивают электроны в полистироле.
Это позволило им не только наблюдать превращение углерода в алмаз, но и то, что происходит с остальной частью образца — он расщепляется на водород. В случае ледяных гигантов мы теперь знаем, что углерод образует алмазы, когда он отделяется, что и не принимает жидкую переходную форму, заявляют ученые.
Это важно, потому что в Нептуне есть что-то действительно странное. Его внутреннее содержание намного горячее, чем должно быть; на самом деле он излучает в 2,6 раза больше энергии, чем поглощает от Солнца.
Если алмазы — более плотные, чем материал вокруг них, попадают во внутреннее пространство планеты, они могут выделять гравитационную энергию, которая преобразуется в тепло, генерируемое трением между алмазами и материалом вокруг них.
Этот эксперимент показывает метод, который ученые могли бы использовать, чтобы «исследовать» внутренности других планет в Солнечной системе. Он позволит исследователям измерять различные процессы, которые в противном случае трудно воссоздать.
Например, ученые смогут увидеть, как водород и гелий, элементы, находящиеся внутри газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, смешиваются и разделяются в экстремальных условиях.
Читать также:
Посмотрите на закат в других мирах: как Солнце заходит на Марсе, Титане и Уране
Недалеко от нас обнаружены две Суперземли: там могут найти жизнь
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком