Глубоко под облаками Урана и Нептуна может происходить один из самых необычных процессов в Солнечной системе: углерод превращается в кристаллы алмаза, которые опускаются в недра планеты. Эту гипотезу называют «алмазным дождём». Наблюдать его напрямую мы пока не можем, поэтому учёным приходится на миллиардные доли секунды воссоздавать экстремальные условия внутри ледяных гигантов на Земле.
Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса приблизились к таким условиям в лабораторном эксперименте. С помощью мощных лазеров они сжали микроскопические образцы алмаза до давления около одного терапаскаля — примерно в три раза выше давления в центре Земли — и нагрели их приблизительно до 7300 кельвинов. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.
Однако важна оговорка: в эксперименте не шёл настоящий алмазный дождь. Учёные не наблюдали, как алмазы рождаются из смеси воды, метана и других веществ, предполагаемых в недрах планет. Они исследовали другой ключевой участок процесса — как уже существующий алмаз ведёт себя при чудовищном давлении и где проходит граница его плавления.
Миллиардная доля секунды внутри планеты
Эксперимент проводили на лазерной установке OMEGA в Рочестерском университете. Лазер испарял внешний слой мишени, а возникающая ударная волна сжимала находившийся внутри алмаз. Экстремальное состояние существовало всего около наносекунды, но за это время исследователям требовалось измерить давление, температуру, плотность, отражательную способность и атомную структуру вещества.
Главным инструментом стала рентгеновская дифракция. Когда рентгеновское излучение проходит через кристалл, расположение атомов оставляет характерный рисунок. По его изменениям можно определить, остаётся ли вещество твёрдым кристаллом, переходит в другую фазу или плавится.
Получить такой сигнал от углерода особенно трудно: его лёгкие атомы слабо рассеивают рентгеновские лучи. Тем не менее команда впервые проследила структуру ударно-сжатого алмаза вплоть до самого плавления.
Загадка, которая держалась двадцать лет
Предыдущие эксперименты и квантово-механические расчёты расходились в оценке температуры плавления алмаза примерно на 20%. В условиях опыта это означало разницу более чем в тысячу градусов. Кроме того, существовала версия, что перед плавлением алмаз должен перейти в другую кристаллическую форму углерода — фазу BC8.
Новые измерения закрыли обе неопределённости. Экспериментальная температура плавления практически совпала с современными расчётами, а промежуточную фазу при однократной ударной волне обнаружить не удалось. Алмаз сохранял привычную кристаллическую структуру до момента плавления.
Авторы предполагают, что быстрый удар просто не оставляет атомам времени перестроиться. Иными словами, состояние вещества определяется не только достигнутыми давлением и температурой, но и тем, каким путём оно к ним пришло. При более медленном или многоступенчатом сжатии результат может отличаться.
Исследование также подтвердило необычное свойство углерода: при столь высоком давлении твёрдый алмаз менее плотный, чем жидкий металлический углерод. Поэтому он должен плавать в нём — примерно как лёд плавает в воде.
Где здесь алмазный дождь
Уран и Нептун называют ледяными гигантами не потому, что они покрыты обычным льдом. Под их атмосферами, вероятно, находится горячая плотная смесь воды, аммиака, метана и других соединений. При огромных давлениях привычные молекулы разрушаются, а высвободившийся углерод может собираться в кристаллы.
Лабораторные эксперименты ранее уже показывали образование наноалмазов из углеводородных материалов при условиях, напоминающих недра таких планет. Более новые работы изучали скорость роста и осаждения этих кристаллов. Свежий эксперимент дополняет картину точными данными о том, при каких условиях алмаз остаётся стабильным и когда превращается в жидкий углерод.
Но это всё ещё не фотография происходящего внутри Нептуна. Состав планет, распределение температур и давление на разных глубинах известны только по моделям. Поэтому корректнее говорить не о доказанном алмазном ливне, а о физически правдоподобном сценарии, который получает всё более надёжную экспериментальную основу.
Если кристаллы действительно образуются, они могут перемещаться в более глубокие слои и высвобождать гравитационную энергию. Такой процесс рассматривают как один из возможных вкладов во внутреннее тепло планет. Однако утверждение, что именно алмазный дождь объясняет необычное тепловое излучение Нептуна, пока остаётся гипотезой, а не прямым выводом новой работы.
От Нептуна — к термоядерной мишени
У исследования есть и гораздо более земное применение. В экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу топливо помещают внутрь крошечной алмазной капсулы. Лазерные импульсы заставляют её схлопываться, сжимая топливо до условий, необходимых для реакции синтеза.
Для симметричного сжатия важно, чтобы алмазная оболочка в нужный момент равномерно расплавилась. До сих пор первый удар делали достаточно сильным, опираясь на прежние оценки температуры плавления. Новые данные показывают, что алмаз можно полностью расплавить более слабым начальным импульсом.
По расчётам исследователей, это позволит сильнее сжать топливо и теоретически увеличить выход термоядерной энергии до трёх раз при той же энергии лазера. Это не означает, что эффективность реальной электростанции внезапно утроится: прогноз относится к выходу конкретной мишени и предполагает, что остальные механизмы потерь удастся удержать под контролем.
Один короткий лазерный удар таким образом связал две области, которые обычно кажутся совершенно разными. Он помог уточнить, что может происходить в недрах далёких планет, и одновременно подсказал, как улучшить один из самых сложных экспериментов на Земле. Алмазного дождя в лаборатории учёные не увидели — зато получили данные, без которых невозможно понять, где и как он вообще способен идти.