Внутреннее строение внешних планет Солнечной системы до сих пор представляет для астрономов загадку. В случае с Юпитером эту загадку помогает решать космический зонд NASA «Юнона» (Juno). А в земной лаборатории исследователи обнаружили зацепки, позволяющие заглянуть глубоко внутрь ледяных гигантов Нептуна и Урана. И оказалось, что там могут идти алмазные дожди.
Международной команде исследователей удалось показать, что внутри гигантских ледяных планет – Нептуна и Урана – расщепляются углеводородные соединения. При этом углерод превращается в «алмазный дождь». Иллюстрация Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laborat
Ученые Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорф (HZDR) в сотрудничестве со своими немецкими и американскими коллегами смогли показать, что внутри ледяных гигантов нашей Солнечной системы образуются «алмазные дожди». С помощью сверхмощных рентгеновских лазеров и других установок в Стэндфордской национальной ускорительной лаборатории (SLAC) в Калифорнии было произведено моделирование внутреннего строения космических гигантов. Благодаря этому, ученые смогли впервые в реальном времени наблюдать за расщеплением углеводорода и превращением углерода в алмаз.
Твердое ядро, закутанное в плотные слои «льда» - так выглядит внутренняя структура планет Нептуна и Урана. Такой космический лед состоит преимущественно из углеводородов, воды и аммиака. И уже очень давно астрофизики склоняются к мысли, что экстремально высокое давление, которое господствует здесь на глубинах примерно в 10 тысяч километров, ведет к расщеплению углеводорода. При этом образуются алмазы, которые погружаются дальше вглубь планет.
«До сих пор никому не удавалось в прямом эксперименте наблюдать за такими блестящими осадками», - рассказывает доктор Доминик Краус из HZDR. Но именно в этом ему и руководимой им международной группе исследователей удалось добиться успеха. - «В ходе исследований мы поместили специальную форму пластика – полистирол, основу которого составляет смесь углерода и водорода, в условия, подобные условиям, существующим внутри Нептуна и Урана».
Чтобы достичь необходимого эффекта, они отправили сквозь образцы две ударные волны, возбужденные при помощи экстремально мощных оптических лазеров в комбинации с рентгеновским источником SLAC, который называется «Линейный когерентный источник света» (LCLS). Вследствие этого пластик подвергся сжатию под давлением около 150 Гигапаскалей при температуре приблизительно в 5 000 градусов Цельсия. «Первая, более слабая и медленная волна при этом была обогнана более мощной второй волной», - объясняет Краус. – «И именно в тот момент, когда обе волны пересекаются, образуется большинство алмазов».
Так как это продолжается всего малые доли секунды, исследователи использовали быстродействующую рентгеновскую дефракцию, обеспечившую им моментальную съемку образования алмазов и химических процессов. «Эксперименты показывают, что почти все атомы углерода соединяются в алмазные структуры нанометровых размеров», - подводит итог ученый из Дрездена. Исходя из результатов, авторы исследования предполагают, что алмазы на Нептуне и Уране образуют значительно большие структуры и на протяжении тысяч и миллионов лет медленно оседают в ядре планеты.
«Из полученных нами экспериментальных данных мы можем также почерпнуть информацию, которая позволит нам лучше понять строение экзопланет», - говорит о перспективах Краус. У таких космических гигантов за пределами Солнечной системы исследователи могут измерить лишь два параметра: массу, которая определяется из позиционных колебаний их материнской звезды, и радиус, который астрономы выводят на основании затемнения, возникающего, когда планета проходит транзитом перед звездным диском. Соотношение между двумя величинами позволяет получит исходные данные о химическом строении, например, состоит ли планета из легких или тяжелых элементов.
«А химические процессы внутри планет подсказывают нам аспекты позволяющие делать выводы об основных свойствах этих небесных тел», - продолжает Краус. - «Благодаря этому, мы можем улучшать и совершенствовать уже существующие в науке модели планет. Как показывают исследования, моделирование пока что не может считаться особо точным методом».
Но наряду с астрофизическими знаниями, опыты могут иметь и практическое значение. Так, например, наноалмазы, образующиеся в ходе экспериментов, могут использоваться для электронных инструментов и в медицинской технике, а также в качестве режущих материалов в промышленном производстве. Пока что искусственные алмазы изготавливают с помощью взрывов. Но изготовление их с использованием лазерной техники сделает такое производство более чистым и контролируемым.
О результатах исследований ученые написали в статье, размещенной в журнале Nature Astronomy.
0
Я