Женщины с Венеры, алмазы — с Нептуна: как инопланетные дожди подсказали ученым идею эко-драгоценностей
НовостиНаука
- Фото
- Irina Dmitrienko / Alamy
На далеких Нептуне и Уране процесс рождения алмазов имеет свои интересные особенности. Еще в 1970-е астрономы установили, что алмазный дождь — это вовсе не поэтическая метафора, а вполне научный факт. Это явление может наблюдаться из-за экстремального давления и высоких температур наших «соседей» по Солнечной системе.
В 2017 году исследователи из Германии и США нашли способ воссоздать эти внеземные условия в лаборатории, получив крошечные наноалмазы с использованием полистирола. Спустя пять лет ученые вернулись к технологии, заменив пластик на всем более привычный полиэтилентерефталат (ПЭТ). Выводы исследования опубликованы в Science Advances.
Цель этой научной работы — прийти к созданию экологичного способа получения алмазов с помощью пластиковых отходов.
Ведущий автор исследования Доминик Краус и его коллеги попытались создать наноалмазы из полистирола, который содержит те же элементы углерода и водорода, что есть на Нептуне и Уране.
Для этого ученые нагрели материал мощным рентгеновским лазером до температуры 5000 градусов по Кельвину и подвергли воздействию давления силой 150 гигапаскалей. Так создали условия, напоминающие те, что царят на глубине около 9,6 км в ледяных недрах дальних планет.
Позже ученые поняли, что для создания настоящих алмазов не хватает жизненно важного кислорода. Поэтому они стали использовать вместо полистирола ПЭТ, который имеет хороший баланс углерода, водорода и кислорода.
Если наладить промышленное производство наноалмазов, это принесет пользу экологии, так как в процессе «плавки» будет использовано больше переработанного ПЭТ.
Хотя создание наноалмазов — это красиво и экологично, ученые также стараются не упускать из виду и научную цель, чтобы лучше понять, как экстремальные условия ледяных гигантов вызывают алмазные дожди.
Краус и его команда также считают, что они нашли больше свидетельств существования новой формы воды на других планетах. Как сообщала New York Times в 2018 году, эта суперионная вода представляет собой смесь твердого тела и жидкости. Она заполняет мантии Нептуна, Урана и множества других ледяных гигантов.
Такая жидкость вряд ли получит какое-либо практическое применение на Земле, но ее присутствие может объяснить, почему некоторые небесные тела имеют необычные магнитные поля. Краус также предположил, что существование наноалмазов внутри ледяных гигантов повышает вероятность возникновения суперионной воды.
Александра Гомбожапова
Теги
- космос
- планеты
- химия
Сегодня читают
Тест: первое, что вы увидите на картинке, расскажет о вашей главной проблеме
Тест на внимательность, который ломает мозг: найдите пианино среди зебр
Дореволюционная задачка на внимательность: с ней может справиться только 1 человек из 100
Птица в самой модной шляпе пришла на вечеринку, но ее никто не замечает, а вы найдете?
От этого теста можно сойти с ума: найдите слона на картинке
На Нептуне и Уране действительно идут дожди из алмазов.
Ученые доказали это на ЗемлеПодпишитесь 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.ПодкастЧто 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.
Да, на Уране и Нептуне действительно «алмазный дождь»
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
На этой иллюстрации показан алмазный дождь на Нептуне. (Изображение предоставлено Грегом Стюартом/Национальной ускорительной лабораторией SLAC). все внимание обращено на их более крупных братьев и сестер, могучего Юпитера и великолепного Сатурна.На первый взгляд, Уран и Нептун — просто скучные шарики из неинтересных молекул. Но под внешними слоями этих миров может скрываться нечто впечатляющее: постоянный дождь из бриллиантов.
Связанный: Алмазный дождь ледяных планет, созданный в лазерной лаборатории , Уран и Нептун.
Как ни странно, это название не имеет ничего общего со льдом в том смысле, в каком вы его обычно узнаете — например, с кубиками льда в вашем напитке. Различие исходит из того, из чего сделаны эти планеты.
Уран и Нептун, напротив, состоят в основном из воды, аммиака и метана. Астрономы обычно называют эти молекулы «льдом», но на самом деле для этого нет веских причин, за исключением того, что когда планеты только формировались, эти элементы, вероятно, были в твердой форме.
В (не очень) ледяные глубины
Глубоко под зелеными или синими облаками Урана и Нептуна много воды, аммиака и метана. Но у этих ледяных гигантов, вероятно, есть каменные ядра, окруженные элементами, которые, вероятно, сжаты в экзотические квантовые состояния. В какой-то момент эта квантовая странность превращается в «суп» под сверхвысоким давлением, который обычно разжижается по мере приближения к поверхности.
Но, по правде говоря, мы мало что знаем о внутренностях ледяных великанов.
В последний раз мы получали подробные данные об этих двух мирах три десятилетия назад, когда «Вояджер-2» пронесся мимо, выполняя свою историческую миссию.
С тех пор Юпитер и Сатурн принимали множество орбитальных зондов, однако наши наблюдения за Ураном и Нептуном ограничивались наблюдениями в телескоп.
Чтобы попытаться понять, что находится внутри этих планет, астрономы и планетологи должны взять эти скудные данные и объединить их с лабораторными экспериментами, которые пытаются воспроизвести условия внутри этих планет. Кроме того, они используют старую добрую математику — очень много. Математическое моделирование помогает астрономам понять, что происходит в той или иной ситуации на основе ограниченных данных.
Именно благодаря сочетанию математического моделирования и лабораторных экспериментов мы поняли, что на Уране и Нептуне может быть так называемый алмазный дождь.
Связанный: Удивительные фотографии чудовищного шторма в атмосфере Сатурна
Идет алмазный дождь
Идея алмазного дождя была впервые предложена перед миссией «Вояджер-2», которая стартовала в 1977 году.
Обоснование было довольно простым: мы знаем, что такое Уран и Neptune сделаны из , и мы знаем, что вещество становится горячее и плотнее, чем глубже вы погружаетесь на планету. Математическое моделирование помогает заполнить детали, например, самые внутренние области мантии этих планет, вероятно, имеют температуру где-то около 7000 градусов по Фаренгейту (12 140 градусов по Фаренгейту, или 6727 градусов по Цельсию) и давление в 6 миллионов раз больше, чем 9.0007 Атмосфера Земли .
Те же самые модели говорят нам, что самые внешние слои мантии несколько холоднее — 2000 К (3140 F или 1727 C) — и находятся под несколько менее интенсивным давлением (в 200 000 раз выше земного атмосферного давления). Поэтому естественно задаться вопросом: что происходит? в воду, аммиак и метан при таких температурах и давлениях?
В частности, в случае с метаном сильное давление может разорвать молекулу на части, высвобождая углерод. Затем углерод находит своих собратьев, образуя длинные цепочки.
сжимаются вместе, образуя кристаллические узоры, подобные бриллиантам.0003
Затем плотные алмазные образования падают сквозь слои мантии, пока не станет слишком жарко, где они испаряются, всплывают обратно и повторяют цикл — отсюда и термин «алмазный дождь».
Похожие истории:
Выращенные в лаборатории бриллианты
Лучший способ проверить эту идею — отправить космический корабль к Урану или Нептуну. В ближайшее время такой возможности не будет, поэтому нам придется пойти вторым путем: лабораторными экспериментами.
На Земле мы можем стрелять мощными лазерами по целям, чтобы на короткое время воспроизвести температуру и давление внутри ледяных гигантов. Один эксперимент с полистиролом (он же пенополистирол) позволил сделать алмазы наноразмера . Нет, Уран и Нептун не содержат большого количества полистирола, но с пластиком было гораздо легче обращаться в лаборатории, чем с метаном, и, по-видимому, он ведет себя очень похоже.
Кроме того, Уран и Нептун могут поддерживать это давление намного дольше, чем лабораторный лазер, так что алмазы, по-видимому, могут вырасти и стать намного больше, чем наноразмеры.
Конечный результат? Основываясь на всем, что мы знаем о составе ледяных гигантов, их внутреннем строении, результатах лабораторных экспериментов и нашем математическом моделировании, алмазный дождь — вполне реальная вещь.
Пол М. Саттер – астрофизик в SUNY Стоуни Брук и Институт Флэтайрон, ведущий программ « Спросите космонавта «, и ««. Космическое радио
Узнайте больше, прослушав подкаст «Спросите космонавта», доступный на iTunes и askaspaceman.com . Задайте свой вопрос в Твиттере, используя хештег #AskASpaceman или подписавшись на Павла 9.0082 @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.
com.
Получайте последние космические новости и последние новости о запусках ракет, наблюдениях за небом и многом другом!
Свяжитесь со мной, чтобы сообщить о новостях и предложениях от других брендов Future. Получайте электронные письма от нас от имени наших надежных партнеров или спонсоров. Пол М. Саттер — астрофизик из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, а затем стажировался в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами. В качестве «звездного агента» Пол уже несколько лет страстно вовлекает общественность в популяризацию науки. Он ведущий популярной программы «Спроси космонавта!» подкаста, автор книг «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», часто появляется на телевидении, в том числе на канале «Погода», где он является официальным специалистом по космосу.
На Нептуне идет бриллиантовый дождь
Эта статья из номера
Сентябрь-октябрь 2018
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.
Право на рекламу
Хотя космические корабли и наземные телескопы ограничивают нас в том, что мы можем 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 извне.
Нептун и Уран называют «ледяными гигантами» нашей Солнечной системы, потому что два их внешних слоя состоят из соединений, включающих водород и гелий.
На астрономическом жаргоне лед относится ко всем соединениям легких элементов, которые содержат водород, поэтому вода планет (H 2 O), аммиак (NH 3 ) и метан (CH 4 ) делают их «ледяными». ». Красивый голубоватый оттенок обеих планет является результатом следов метана в их атмосферах.
Джейсон МакАлександер
Однако именно «лед» в глубоких средних слоях действительно формирует 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 подтверждении 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, такой как 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.
В частности, для высокоэнергетических лазеров, которые могут достигать гигабарного давления и температуры в миллионы кельвинов (что сравнимо с температурой в центре Солнца), условия обычно длятся несколько наносекунд или меньше. Это очень ограниченное время для получения точных и прямых измерений структурных изменений образца.
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.
Его поверхность мгновенно превращается в чрезвычайно горячую плазму с температурой в несколько миллионов кельвинов. Этот плазменный пар быстро расширяется. В результате экстремальная сила давления сдавливает оставшийся пластиковый материал и вызывает сильные волны сжатия в образце. При правильной настройке эксперимент может точно имитировать условия давления и температуры, предсказанные внутри ледяных планет-гигантов.
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 поля ледяных гигантов, 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. исследовать ледяных гигантов вблизи и узнать больше об интригующих алмазных мирах Солнечной системы.
- Бенедетти, Л. Р., Дж. Х. Нгуен, В. А. Колдуэлл, Х.
