Дождь из алмазов на Нептуне подтвержден экспериментально

Об этом подозревали астрономы и физики в течение почти 40 лет, но лишь сейчас удалось подтвердить теорию экспериментально. Внешние планеты нашей Солнечной системы трудно изучать. Только одна космическая миссия Voyager 2 пролетела мимо, чтобы раскрыть некоторые из их секретов, поэтому алмазный дождь оставался лишь гипотезой.

Помимо затянувшейся тайны алмазного дождя, мы не можем изучить Уран и Нептун изнутри и снаружи. Это ограничивает наше понимание Солнечной системы и галактики, потому что планеты такого размера оказались чрезвычайно распространенными в Млечном Пути. 

Число планет, похожих по размеру на Уран и Нептун примерно в девять раз больше, чем число гораздо более крупных планет, похожих по размеру на Юпитер и Сатурн. Внешние планеты также несут шрамы, которые могут многое рассказать о формировании нашей собственной Солнечной системы. Не удивительно, что растет потребность в изучении Нептуна и Урана. Это поможет лучше понять, где и как образуются планетные системы, а также даст ответ на вопрос, где искать способные поддерживать жизнь планеты.

Хотя мы были ограничены возможностями космических кораблей и наземных телескопов, достижения в лабораторном моделировании дают возможность поразительно нового понимания того, что происходит в понимании того, что вызывает алмазный дождь. Подобные открытия показывают сложность химических процессов, связанных с эволюцией этих планет. Наши симуляции дают определение внутренней природе миров далеко за пределами Солнечной системы, которые мы никогда не увидим непосредственно.

Ледяные Гиганты

Нептун и Уран называют «ледяными гигантами» нашей Солнечной системы, потому что их внешние два слоя состоят из соединений водорода и гелия. В астрономическом сленге лед относится ко всем соединениям легких элементов, которые содержат водород, поэтому вода (H2O), аммиак (NH3) и метан (CH4) планет делают их «ледяными». Красивый голубоватый оттенок обеих планет является результатом следов метана в их атмосфере.

Именно «лед» в глубоких средних слоях действительно формирует их свойства. Например, на Нептуне под водородно-гелиевой атмосферой, толщина которой составляет 3000 километров, лежит ледяной слой толщиной 17500 километров. Моделирование предполагает, что гравитация сжимает «льды» в этом среднем слое до высоких плотностей, а внутреннее тепло повышает внутреннюю температуру до нескольких тысяч Кельвинов. Несмотря на высокую температуру, давление более чем в миллион раз превышающее атмосферное давление на Земле, сжимает так называемые льды в горячую, плотную жидкость.

При таком нагревании и давлении аммиак и метан являются химически активными. Ученые смоделировали экзотические процессы, в том числе образование алмазов, которые происходят между соединениями глубоко в слоях льда. Марвин Росс из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса впервые представил идею об алмазном дожде в статье 1981 года под названием «Ледяной слой Урана и Нептуна — алмазы в небе?». Он предположил, что атомы углерода и водорода разделяются при высоких давлениях и высоких температурах внутри ледяных гигантов. Кластеры изолированных атомов углерода затем будут сжаты в алмазную структуру, которая является наиболее стабильной формой углерода в таких условиях.

Алмаз плотнее, чем метан, аммиак и вода, оставшиеся в ледяном слое, поэтому кристалл углерода начнет опускаться к ядру планеты. Он будет накапливать новые слои при падении, касаясь других изолированных атомов углерода или алмазов, что позволяет отдельным блокам алмазов достигать размера нескольких метров в диаметре. В результате, толстый слой углерода окружает скалистые ядра Урана и Нептуна. Этот углеродный слой может состоять из блоков твердого алмаза или, если температура чрезвычайно высока (как предлагают некоторые модели планет), он может превратиться в жидкий углерод или смесь твердого углерода и жидкого углерода.

Если слой представляет собой смесь твердого и жидкого углерода, твердый углерод будет иметь более низкую плотность, чем жидкий, в результате чего крупные «алмазные айсберги» будут плавать на поверхности океана жидкого углерода. Каждый возможный состав углеродного слоя — твердого, жидкого или смешанного — по-разному влияет на ядро ​​планеты. Твердый алмаз, например, является электроизоляционным и имеет жесткую кристаллическую решетку, тогда как жидкий углерод является металлическим проводником. Определение свойств углеродного слоя может выявить, образовались ли Нептун и Уран из скального ядра протопланеты миллиарды лет назад.

Проверка гипотезы

Хотя идея Росса была захватывающей, в то время она была в основном гипотетической и нуждалась в проверке наблюдениями. Невозможно с помощью какой-либо мыслимой технологии спроектировать и построить зонд, который мог бы проникнуть глубоко в Нептун или Уран и непосредственно наблюдать образование алмазов.

Ученые вместо этого пытались воссоздать экстремальные условия планетарных интерьеров в своих лабораториях. Даже эта более ограниченная цель является чрезвычайно сложной, поскольку нам необходимо надежно генерировать и измерять давления в несколько миллионов атмосфер и температуры в несколько тысяч кельвинов для моделирования их воздействия на элементы, обнаруженные внутри ледяных гигантов. По сути, нам нужно построить кусочек планеты в лаборатории.

Учреждения по всему миру решают эту проблему путем сжатия материала образца, такого как метан, между двумя алмазными наковальнями с очень маленькими наконечниками, которые давят на образец. Тот же эффект повышения давления можно увидеть в другом масштабе, если положить что-то под каблук туфли на высоком каблуке. Несмотря на то, что алмазные наковальни могут создавать давление в несколько мегабар (сравнимое с давлением, которое может возникнуть при размещении нескольких тысяч африканских слонов поверх этой обуви на высоком каблуке), образец также должен нагреваться электрическими токами или лазерами, чтобы имитировать горячие планетарные интерьеры.

Используя такую ​​установку, некоторые эксперименты действительно сформировали алмаз. Однако в этих установках материалы, представляющие слои планетного льда — метан, аммиак или вода — начинают реагировать с алмазными наковальнями и прокладками. Эти реакции могут сильно изменить и загрязнить результаты.

Ситуация изменилась в 2009 году с созданием первого в мире рентгеновского лазера на свободных электронах: когерентного источника света Linac в Стэнфордском университете. Объединение этой машины с мощной импульсной лазерной системой позволяет нам изучать химические реакции в условиях, сравнимых с условиями в глубинных недрах планет-гигантов в режиме реального времени. Пластмассы, которые в основном сделаны из углерода и водорода, являются полезными веществами для имитации смеси материалов в слоях льда Нептуна и Урана. Вы также можете почитать о том, существует ли жизнь на луне Юпитера — Европе.

В таких экспериментах импульсный лазер высокой энергии фокусируется на пятне диаметром 200 микрометров, нагревая тонкий поверхностный слой пластикового образца толщиной 80 микрометров. Его поверхность мгновенно превращается в чрезвычайно горячую плазму с температурой в несколько миллионов кельвинов. Этот плазменный пар быстро расширяется. В результате сила экстремального давления давит на оставшийся пластический материал и направляет сильные волны сжатия в образец. При правильной настройке эксперимент может точно имитировать давление и температурные условия, предсказанные внутри ледяного гиганта.

Алмазное влияние

Понимание внутренних процессов ледяных гигантов дает представление об особенностях этих планет. Например, осаждение алмаза высвобождает гравитационную энергию, которая преобразуется в тепло за счет трения между алмазами и окружающим материалом. Этот эффект может объяснить, почему Нептун излучает больше энергии, чем получает от Солнца. Такой внутренний источник энергии может помочь объяснить происхождение неожиданно сильных штормов, которые наблюдаются на поверхности планеты.

Алмазное образование также может объяснить, почему магнитные поля ледяного гиганта настолько экзотичны. В отличие от магнитного поля Земли, поля вокруг Урана и Нептуна не симметричны и не простираются от каждого полюса. Эти свойства позволяют предположить, что поля ледяных гигантов происходят не в ядре, а в тонком, довольно изменчивом слое проводящего материала, такого как металлический водород, образующийся в качестве побочного продукта производства алмазов.

Ученые продолжат изучать эти явления в лаборатории, но новая космическая исследовательская миссия на Нептун или Уран может добавить массу информации о внутренних процессах планет и о том, как такие планеты сформировались в нашей Солнечной системе. НАСА в настоящее время рассматривает такую ​​миссию. В 2030 году планеты нашей Солнечной системы будут благоприятно выровнены для запуска космического корабля, способного добраться к Нептуну в 2040 году. Следующее случайное выравнивание планет не наступит в течение еще двух поколений, поэтому сейчас самое время задуматься о изучение ледовых гигантов и изучение интригующих алмазных миров Солнечной системы.