В ходе эксперимента, призванного имитировать условия глубоко внутри ледяных планет-гигантов нашей Солнечной системы, ученые впервые смогли наблюдать «алмазный дождь», формирующийся в условиях высокого давления. Чрезвычайно высокое давление сжимает водород и углерод, находящиеся внутри этих планет, с образованием твердых алмазов, которые медленно погружаются глубже вглубь.
Уже давно предполагалось, что сверкающие осадки образуются на глубине более 5 000 миль под поверхностью Урана и Нептуна и образуются из обычно встречающихся смесей только водорода и углерода. Внутренности этих планет похожи - обе содержат твердые ядра, окруженные плотной шугой из разных льдов. Что касается ледяных планет в нашей Солнечной системе, то «лед» относится к молекулам водорода, соединенным с более легкими элементами, такими как углерод, кислород и/или азот.
Исследователи смоделировали окружающую среду внутри этих планет, создав ударные волны в пластике с помощью мощного оптического лазера на приборе Matter in Extreme Conditions (MEC) в рентгеновском лазере на свободных электронах Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Linac Coherent Источник света (LCLS).
В ходе эксперимента они смогли увидеть, что почти каждый атом углерода исходного пластика был включен в небольшие алмазные структуры шириной до нескольких нанометров. Авторы исследования предсказывают, что на Уране и Нептуне алмазы станут намного крупнее, возможно, весом в миллионы каратов. Исследователи также считают возможным, что в течение тысячелетий алмазы медленно погружаются в слои льда планет и собираются в толстый слой вокруг ядра.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Astronomy 21 августа.
«Раньше исследователи могли только предполагать, что алмазы сформировались», - сказал Доминик Краус, ученый из Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf и ведущий автор публикации. «Когда я увидел результаты этого последнего эксперимента, это был один из лучших моментов в моей научной карьере».
Предыдущие эксперименты, в которых пытались воссоздать алмазный дождь в аналогичных условиях, не смогли зафиксировать измерения в реальном времени из-за того, что в настоящее время мы можем создать такие экстремальные условия, при которых крошечные алмазы образуются только на очень короткое время в лаборатория. Высокоэнергетические оптические лазеры в MEC в сочетании с импульсами рентгеновского излучения LCLS, которые длятся всего лишь фемтосекунды или квадриллионные доли секунды, позволили ученым напрямую измерить химическую реакцию.
В других предыдущих экспериментах также наблюдались намеки на углерод, образующий графит или алмаз при более низких давлениях, чем в этом эксперименте, но с добавлением других материалов и изменением реакций.
Результаты, представленные в этом эксперименте, являются первым недвусмысленным наблюдением образования алмазов под высоким давлением из смесей и согласуются с теоретическими предсказаниями об условиях, при которых могут образовываться такие осадки, и предоставят ученым более качественную информацию для описания и классификации других миры.
Превращение пластика в алмаз
В эксперименте пластик имитирует соединения, образованные из метана - молекулы, состоящей всего из одного углерода, связанного с четырьмя атомами водорода, что придает Нептуну отчетливый голубой оттенок.
Команда изучила пластиковый материал, полистирол, который сделан из смеси водорода и углерода, ключевых компонентов общего химического состава этих планет.
В промежуточных слоях ледяных планет-гигантов метан образует углеводородные (водородные и углеродные) цепочки, которые, как давно предполагалось, реагируют на высокое давление и температуру в более глубоких слоях и образуют сверкающие осадки.
Исследователи использовали мощный оптический лазер для создания пар ударных волн в пластике с правильным сочетанием температуры и давления. Первый толчок меньше и медленнее, и его догоняет более сильный второй толчок. Когда ударные волны накладываются друг на друга, это момент пика давления и формирования большей части алмазов, сказал Краус.
В эти моменты команда исследовала реакцию импульсами рентгеновского излучения от LCLS, которые длятся всего 50 фемтосекунд. Это позволило им увидеть маленькие алмазы, которые образуются за доли секунды, с помощью метода, называемого фемтосекундной рентгеновской дифракцией. Рентгеновские снимки предоставляют информацию о размере бриллиантов и деталях химической реакции в момент ее возникновения.
«Для этого эксперимента у нас был LCLS, самый яркий источник рентгеновского излучения в мире», - сказал Зигфрид Гленцер, профессор фотонной науки в SLAC и соавтор статьи. «Вам нужны эти интенсивные, быстрые импульсы рентгеновского излучения, чтобы однозначно увидеть структуру этих алмазов, потому что они формируются в лаборатории только в течение очень короткого времени."
Наноалмазы в действии
Когда астрономы наблюдают за экзопланетами за пределами нашей Солнечной системы, они могут измерить две основные характеристики - массу, которая измеряется колебанием звезд, и радиус, наблюдаемый из тени, когда планета проходит перед звезда. Соотношение между ними используется для классификации планет и помогает определить, состоит ли она из более тяжелых или более легких элементов.
«В отношении планет взаимосвязь между массой и радиусом может многое рассказать ученым о химии», - сказал Краус. «А химия, происходящая внутри, может предоставить дополнительную информацию о некоторых определяющих особенностях планеты».
Информация из исследований, подобных этому, о том, как элементы смешиваются и слипаются под давлением внутри данной планеты, может изменить способ, которым ученые рассчитывают взаимосвязь между массой и радиусом, что позволит ученым лучше моделировать и классифицировать отдельные планеты. Падающий «алмазный дождь» также может быть дополнительным источником энергии, вырабатывая тепло, опускаясь к ядру.
«Мы не можем заглянуть внутрь планет и посмотреть на них, поэтому эти лабораторные эксперименты дополняют наблюдения со спутников и телескопов», - сказал Краус.
Исследователи также планируют применить те же методы для изучения других процессов, происходящих в недрах планет.
В дополнение к знаниям, которые они дают в планетарной науке, наноалмазы, сделанные на Земле, потенциально могут быть собраны в коммерческих целях - для использования в медицине, научном оборудовании и электронике. В настоящее время наноалмазы производятся в промышленных масштабах из взрывчатых веществ; лазерное производство может предложить более чистый и легко контролируемый метод.
Исследования, которые сжимают материю, такие как это исследование, также помогают ученым понять и улучшить эксперименты по термоядерному синтезу, в которых формы водорода объединяются в гелий для выработки огромного количества энергии. Это процесс, который питает Солнце и другие звезды, но его еще предстоит реализовать контролируемым образом для электростанций на Земле.
В некоторых экспериментах по термоядерному синтезу топливо из двух различных форм водорода окружено пластиковым слоем, который достигает условий, подобных внутренним планетам, во время кратковременной стадии сжатия. Эксперимент LCLS с пластиком предполагает, что химия может сыграть важную роль на этом этапе.
«Моделирование на самом деле не отражает то, что мы наблюдаем в этой области», - сказал Гленцер. «Наше исследование и другие исследования предоставляют доказательства того, что слипание вещества в таких условиях высокого давления является силой, с которой нужно считаться».