На Нептуне и Уране действительно идут дожди из алмазов. Ученые доказали это на Земле
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, NASA
Ученые давно подозревали, что на Уране и Нептуне могут идти дожди из настоящих алмазов. Теперь это предположение получило еще одно подтверждение — причем новые доказательства были получены опытным путем.
Обе эти планеты относятся к так называемым ледяным гигантам, хотя на самом деле вещество, из которого они состоят, находится в жидко-газообразном состоянии, а его температура достигает нескольких тысяч градусов.
- Ученые заметили рождение новой планеты из звездной пыли
- В Солнечной системе обнаружена новая карликовая планета
- На Плутоне можно увидеть сердце — и другие малоизвестные факты о карликовой планете
Атмосфера как Урана, так и Нептуна, состоит в основном из гелия и водорода, но глубже находятся более тяжелые элементы и вещества, в том числе метан.
Согласно гипотезе, на глубине около 7 тыс. км температура и давление достигают такой величины, что метан должен распадаться на составляющие его элементы: углерод и водород.
В результате более легкий водород поднимается в атмосферу, а углерод под действием окружающей среды превращается в кристаллы алмаза и, напротив, медленно опускается ближе к каменно-ледяному ядру.
Чтобы подтвердить эту теорию, исследователи американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Стэнфордском университете решили воссоздать на Земле условия, близкие к тем, что можно найти в глубинах Урана.
Сделать это открытие ученым из SLAC удалось при помощи уникальной аппаратуры лаборатории, а вместо метана (Ch5) они использовали стирол (C8H8) — его физические свойства больше похожи на вещество, в которое превращается метан при столь колоссальном давлении и температуре.
При помощи лазера на свободных электронах LCLS (Linac Coherent Light Source) стирол разогрели до температуры 5000 кельвинов (примерно настолько жарко, если забраться вглубь Урана или Сатурна на 10 тысяч километров), а давление увеличили до 1,5 млн бар — по словам одного из авторов эксперимента, «это все равно что поставить 250 африканских слонов на ноготь большого пальца».
Автор фото, AFP
Подпись к фото,Так выглядит планета Уран
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
В результате им удалось увидеть, как содержащийся в стироле углерод превращается в алмазы, а оставшаяся часть вещества выделяется в виде чистого водорода.
Первый в мире рентгеновский излучатель на свободных электронах был разработан в той же лаборатории. Он усиливает рентгеновские волны, генерируя лазерное излучение без использования системы зеркал, и за счет этого позволяет проводить более точные измерения.
Теория возникновения алмазов на ледяных гигантах была выдвинута несколько десятилетий назад — и с тех пор неоднократно подтверждалась как расчетами, так и экспериментально.
В 2017 году ее почти удалось доказать специалистам все той же лаборатории SLAC в Калифорнии. Тогда они использовали оптический лазер Matter in Extreme Conditions (MEC), но теперь — при помощи нового точного оборудования — процесс превращения углерода в алмазы изучен значительно более подробно.
Об Уране и Нептуне — самых отдаленных планетах нашей Солнечной системы — ученым известно сравнительно немного. Обе они находятся настолько далеко от Земли, что добраться до них удалось только космическому зонду «Вояджер-2» — но и тот лишь пролетел мимо них, поскольку у него не было задачи пристально изучать эти планеты.
По данным НАСА, в нашей галактике примерно в 10 раз больше ледяных гигантов, похожих на Уран и Нептун (иногда их так и называют — холодные нептуны), чем так называемых холодных юпитеров (к ним в Солнечной системе относятся сам Юпитер и Сатурн).
Новое открытие это, в свою очередь, подтверждает и еще одну догадку ученых.
Дело в том, что Нептун излучает примерно в 2,6 раза больше энергии, чем получает от Солнца. По всей видимости, если к ядру планеты действительно постоянно опускаются алмазы, то их гравитационная энергия превращается в тепловую за счет трения с другими материалами, что и разогревает планету.
На Уране и Нептуне действительно идут дожди из алмазов,
В ходе наземных экспериментов ученые определили, что на двух ледяных гигантах могут идти «дожди» из алмазов. Теперь осталось это только проверить, отправив туда космический аппарат.
Related video
На первый взгляд самые далекие планеты Уран и Нептун — это просто ледяные гиганты и там нет ничего интересного. Астрофизик из Университет штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук Пол Саттер утверждает, что эксперименты, проведенные на Земле, показывают – там идут настоящие дожди из алмазов, сообщает Space
Состав планет
Уран и Нептун состоят в основном из воды, аммиака и метана. Астрономы обычно называют эти молекулы «льдом», а сами планеты ледяными гигантами, хотя это не совсем правильно, говорит Саттер.
Единственная причина, по который можно говорить о льде на этих планетах та, что во время формирования на Уране и Нептуне эти элементы, возможно были в твердой форме.
Но до сих пор очень мало известно о внутреннем строении этих планет-гигантов. Последние данные, которые получили на Земле об этих планетах, прислал 30 лет назад космический аппарат «Вояджер-2».
«Поэтому только с помощью моделирования и экспериментов мы поняли, что на Уране и Нептуне могут быть так называемые алмазные дожди», — говорит Саттер.
С помощью экспериментов и на основе знаний о составе Урана и Нептуна, ученые выяснили, что самые внутренние области мантий этих планет, вероятно, имеют температуру где-то около 6727 градусов Цельсия и давление в 6 млн раз больше, чем в атмосфере Земли.
Самые внешние слои мантии, по словам ученых, холоднее – примерно 1727 Цельсия, и там меньшее давление – примерно в 200 тысяч раз больше, чем в земной атмосфере.
Уран
Фото: wikipedia
- Седьмая планета Солнечной системы
- Обнаружено 27 спутников
- У планеты есть слабо выраженные кольца
- Среднее расстояние от Урана до Солнца 2,8 млрд км
- 1 год длится 84 земных года
Нептун
Нептун
Фото: wikipedia
- Восьмая и последняя планета Солнечной системы
- Обнаружены 14 спутников
- У планеты есть система колец
- Среднее расстояние от Нептуна до Солнца 4,55 млрд км
- 1 год длится 165 земных лет
Дождь из алмазов
«Возникает вопрос: что происходит с водой, аммиаком и метаном при таких температурах и давлении?», — говорит Саттер.
Если речь идет о метане, то сильное давление может разорвать молекулу и освободиться углерод. Потом углерод находит других своих «сородичей», образует длинные цепочки, которые потом сжимаются и превращаются в кристаллические решетки, похожие на алмаз.
Эти алмазные образования погружаются сквозь слои мантии, пока не достигают очень высоких температур и испаряются, выходя обратно наверх. И это повторяющийся цикл можно назвать дождем из алмазов, говорит Саттер.
Чтобы точно проверить эти лабораторные эксперименты нужно отправить к Урану и Нептуну космический аппарат для тщательного изучения. Но пока основная цель нынешних и будущих исследований сосредоточена на газовых гигантах – Юпитере и Сатурне.
«Основываясь на всем, что мы знаем о составе ледяных гигантов, их внутреннем строении, результатах лабораторных экспериментов и моделировании, алмазный дождь — это вполне реальная вещь», — заключает Саттер.
Фокус уже писал о том, что Уран и Нептун – это самые холодные планеты Солнечной системы, а также о том, что на крупнейших спутниках Урана могут скрываться океаны.
Алмазы на Уране: Как может идти дождь из драгоценных камней в миллионы карат на ледяных планетах
Алмазы являются одним из самых востребованных товаров на Земле из-за их красоты, полезности в промышленных процессах и, конечно же, их редкости.
На формирование глубоко внутри Земли уходят миллионы, даже миллиарды лет, поэтому у нас есть только алмазы на поверхности планеты из-за извержений вулканов.
Новое научное исследование показало, что, хотя алмазы в дефиците на нашей родной планете, они, тем не менее, могут быть в изобилии в других частях Вселенной.
Более ранние гипотезы и эксперименты показали возможность того, что ледяные планеты-гиганты буквально проливают алмазный дождь в виде особого типа осадков, вызванных невероятным уровнем давления.
Теперь ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США обнаружили, что присутствие кислорода делает образование алмазов более вероятным, а это означает, что они могут формироваться в более широком диапазоне условий.
Это означает, что алмазный дождь может быть явлением даже на большем количестве планет, чем считалось ранее.
Алмазный дождь на ледяных гигантах
Некоторые ученые считают, что явление алмазного дождя происходит на Уране и Нептуне в нашей Солнечной системе.
Считается, что он существует примерно на 8000 км ниже поверхности наших соседей-ледяных гигантов, созданных из часто встречающихся смесей водорода и углерода, сжатых вместе под невероятным давлением.
И эксперимент , проведенный в 2017 году , смоделировал среду внутри двух соседних ледяных гигантов.
Ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США впервые смогли создать и наблюдать алмазный дождь.
Исследователи смоделировали окружающую среду внутри планет, создав ударные волны в пластике с помощью мощного оптического лазера.
Они смогли увидеть, что почти каждый атом углерода исходного пластика был включен в маленькие алмазные структуры шириной до нескольких нанометров.
В то время как алмазы, созданные в ходе эксперимента, очень малы, настоящие алмазные дождевые капли на Уране и Нептуне, по прогнозам, будут намного крупнее — размером в миллионы каратов.
Кислород секретный ингредиент
Новое исследование включало новый материал, который, по словам исследователей, больше напоминает химический состав Нептуна и Урана.
Хотя эти две планеты содержат углерод и водород, они также содержат другие элементы, такие как большое количество кислорода.
Они обнаружили, что присутствие кислорода делает образование алмазов более вероятным, что влияет на то, насколько распространенным явлением может быть распространение во Вселенной.
«Предыдущая статья была первым случаем, когда мы непосредственно наблюдали образование алмазов из любых смесей», — сказал Зигфрид Гленцер, директор отдела высокой плотности энергии в SLAC.
«С тех пор было проведено довольно много экспериментов с разными чистыми материалами. Но внутри планет все намного сложнее; в смеси гораздо больше химических веществ.
Итак, мы хотели выяснить, какой эффект оказывают эти дополнительные химические вещества».
Как и в предыдущем эксперименте, исследователи направили лазеры на определенный тип пластика, чтобы увидеть, как он влияет на атомы.
Этот пластик, однако, был ПЭТ-пластиком, который «имеет хороший баланс между углеродом, водородом и кислородом для имитации активности ледяных планет», по словам Доминика Крауса, физика из HZDR и профессора Ростокского университета.
Команда, возглавляемая Центром Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) и Ростокским университетом в Германии, а также Французской политехнической школой в сотрудничестве с SLAC, , опубликовала результаты в журнале Science Advances.
Авторы говорят, что новые результаты могут также привести к новому способу производства наноалмазов, которые можно найти для ряда практических применений здесь, на Земле.
К ним относятся доставка лекарств, медицинские датчики, неинвазивная хирургия, устойчивое производство и квантовая электроника.
На Нептуне идет бриллиантовый дождь
Эта статья из номера
сентябрь-октябрь 2018 г.
Том 106, номер 5
Стр. 285
Глубоко внутри Нептуна и Урана идет дождь из алмазов — по крайней мере, астрономы и физики подозревали об этом на протяжении почти 40 лет. Однако внешние планеты нашей Солнечной системы трудно изучать. Только одна космическая миссия, Вояджер-2, пролетела, чтобы раскрыть некоторые из их секретов, так что алмазный дождь остался только гипотезой.
Помимо затянувшейся тайны алмазного дождя, наша неспособность изучить Уран и Нептун изнутри и снаружи несет большую потерю. Это ограничивает наше понимание Солнечной системы и галактики, потому что планеты такого размера оказались чрезвычайно распространены в Млечном Пути. Количество планет, похожих по размеру на Уран и Нептун, которые были обнаружены в галактике, примерно в девять раз больше, чем количество гораздо более крупных планет, подобных по размеру Юпитеру и Сатурну.
На самых отдаленных планетах тоже есть шрамы, которые могут многое рассказать нам о формировании нашей собственной Солнечной системы. Таким образом, растет чувство неотложности изучения Нептуна и Урана — как для того, чтобы лучше понять, где и как формируются планетные системы, так и для уточнения наших представлений о том, где искать планеты, которые могут поддерживать жизнь.
Право на рекламу
Несмотря на то, что космические корабли и наземные телескопы ограничивают наши возможности узнать о внешнем виде Урана и Нептуна, достижения в лабораторном моделировании позволяют получить новые замечательные сведения о том, что происходит внутри, в том числе что порождает алмазный дождь. Подобные открытия раскрывают сложность химических процессов, вовлеченных в эволюцию этих планет. Наши симуляции дают ключ к разгадке внутренней природы миров далеко за пределами Солнечной системы, даже миров, которые мы, возможно, никогда не увидим непосредственно извне.
Нептун и Уран называют «ледяными гигантами» нашей Солнечной системы, потому что два их внешних слоя состоят из соединений, включающих водород и гелий.
Джейсон МакАлександер
Однако именно «лед» в глубоких средних слоях определяет их свойства. На Нептуне, например, под водородно-гелиевой атмосферой толщиной 3000 километров лежит слой льда толщиной 17 500 километров. Моделирование предполагает, что гравитация сжимает «льды» в этом среднем слое до высокой плотности, 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 таких температурах и давлениях аммиак и метан химически активны.
Ученые смоделировали экзотические процессы, в том числе образование алмазов, происходящие между соединениями глубоко в слоях льда. Марвин Росс из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса впервые представил идею алмазного дождя в статье 1981 года в Nature под названием «Ледяной слой Урана и Нептуна — алмазы в небе?» Он предположил, что атомы углерода и водорода углеводородов, таких как метан, разделяются при высоких давлениях и высоких температурах внутри ледяных планет-гигантов. Затем кластеры изолированных атомов углерода 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 по мере того, как будет падать, когда соприкасается с другими изолированными атомами углерода или алмазами, позволяя отдельным алмазным блокам достигать размера в несколько метров в диаметре.
Мы думаем, что в результате каменные ядра Урана и Нептуна окружены толстым слоем углерода. Этот углеродный слой может состоять из блоков твердого алмаза или, если температура чрезвычайно высока (как предполагают 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 меньшую плотность, чем жидкий, в результате чего большие «алмазные айсберги» будут плавать поверх океана жидкого углерода. Каждый возможный состав углеродного слоя — твердый, жидкий или смешанный — будет по-разному влиять на ядро планеты. Твердый алмаз, например, является электроизоляционным и имеет жесткую кристаллическую решетку, тогда как жидкий углерод является металлическим проводником и гибким. Определение свойств углеродного слоя может показать, образовались ли Нептун и Уран из каменистого ядра протопланеты миллиарды лет назад.
Хотя идея Росса, безусловно, была увлекательной, 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 вглубь Нептуна или Урана и непосредственно наблюдать за образованием алмазов. Вместо этого ученые попытались воссоздать экстремальные условия недр планет в своих лабораториях. Даже эта более ограниченная цель является чрезвычайно сложной, поскольку нам необходимо надежно генерировать и измерять давление в несколько миллионов атмосфер и температуру в несколько тысяч кельвинов, чтобы смоделировать их воздействие на элементы, обнаруженные внутри ледяных гигантов. По сути, нам нужно построить кусок планеты в лаборатории.
Министерство энергетики США
Установки по всему миру решают эту проблему, сжимая материал образца, например метан, между двумя алмазными наковальнями с очень маленькими наконечниками, которые давят на образец. Тот же эффект повышения давления можно увидеть в другом масштабе, поместив что-то под каблук туфлей на высоком каблуке.
Несмотря на то, что алмазные наковальни могут генерировать давление в несколько мегабар (сопоставимое с давлением, которое может быть получено, если поместить несколько тысяч африканских слонов поверх этого башмака на высоком каблуке), образец также необходимо нагреть электрическим током или лазером, чтобы имитировать горячие планетарные интерьеры. Используя такую установку, в некоторых экспериментах действительно образовался алмаз. Однако в этих установках материалы, представляющие слои планетарного льда — метан, аммиак или вода — начинают реагировать с алмазными наковальнями и прокладками. Эти реакции могут сильно изменить и загрязнить результаты.
Еще один способ создать экстремальные условия давления и температуры внутри ледяных планет-гигантов — создать ударное сжатие с помощью мощных взрывчатых веществ, ударов высокоскоростных пушечных снарядов или импульсных высокоэнергетических лазеров. Хотя этот процесс и сжимает, и нагревает образец одновременно, образцы остаются в интересующем состоянии лишь малую долю секунды.
Эта ситуация изменилась в 2009 году, когда в Стэнфордском университете был завершен первый в мире рентгеновский лазер на свободных электронах: когерентный источник света Linac. Сочетание этой машины с мощной импульсно-лазерной системой позволяет в режиме реального времени изучать химические реакции в условиях, сравнимых с теми, что происходят в недрах планет-гигантов. Пластмассы, которые в основном состоят из углерода и водорода, являются полезными веществами для имитации смеси материалов в ледяных слоях Нептуна и Урана.
В таких экспериментах импульсный высокоэнергетический лазер фокусируется на пятно диаметром 200 микрометров, которое нагревает тонкий поверхностный слой образца пластика толщиной 80 микрометров.
Джейсон МакАлександер
Эти условия длятся всего одну миллиардную долю секунды, но каждая вспышка дает точную картину химических реакций внутри материала образца. Эксперименты показывают, что даже в такие чрезвычайно короткие промежутки времени химические процессы протекают достаточно быстро, чтобы вырастить крошечные алмазы из атомов углерода внутри пластиковых образцов. Скорость образования, наблюдаемая в лаборатории, позволяет предположить, что внутри Урана и Нептуна, где алмазы выращивались в течение многих миллионов лет, могут образовываться кристаллы углерода метрового размера.
Понимание внутренних процессов ледяных гигантов дает ключ к пониманию особенностей этих планет. Например, осаждение алмазов высвобождает гравитационную энергию, которая преобразуется в тепло за счет трения между алмазами и окружающим материалом по мере их опускания. Этот эффект может объяснить, почему Нептун излучает больше энергии, чем получает от Солнца. Такой внутренний источник энергии может помочь объяснить происхождение удивительно сильных штормов, наблюдаемых на поверхности планеты.
Образование алмазов также может объяснить, почему магнитные поля ледяных планет-гигантов настолько экзотичны. В отличие от магнитного поля Земли поля вокруг Урана и Нептуна несимметричны и не исходят от каждого полюса. Эти свойства предполагают, что ледяные гигантские поля, вероятно, возникают не в ядре, а в тонком, довольно изменчивом слое проводящего материала, такого как металлический водород, образующийся в качестве побочного продукта при производстве алмазов. Другие экзотические процессы внутри планет также могут вносить свой вклад в их магнитные поля.
Например, формирование так называемых суперионные структуры из воды и аммиака, в которых ионы водорода могут свободно перемещаться через кристаллическую решетку кислорода или азота, могли добавлять к проводящему материалу магнитные поля.
Мы продолжим изучать эти явления в лаборатории, но новая миссия космического зонда к Нептуну или Урану (или к обоим) может добавить массу информации о внутренних процессах на планетах и о том, как такие планеты образовались в нашей Солнечной системе. и другие. НАСА в настоящее время рассматривает такую миссию. В 2030 году планеты нашей Солнечной системы выровняются так, что космический корабль сможет запустить и достичь Урана или Нептуна к 2040 году. Еще одно случайное выравнивание планет произойдет только через два поколения, так что сейчас самое время задуматься об этом. исследуя ледяные гиганты вблизи и узнавая больше об интригующих алмазных мирах Солнечной системы.
- Бенедетти, Л. Р., Дж. Х. Нгуен, В. А. Колдуэлл, Х.
