Алмазные дожди планетарных недр теперь идут в лаборатории

Планеты-гиганты не гостеприимны, но интересны для исследователей. Юпитер и Сатурн и сами по себе полны загадок, да к тому же имеют впечатляющее семейство спутников, на самых крупных из которых может существовать жизнь.

Внешние планеты не могут похвастаться такой “свитой”, но тоже не прочь заинтриговать астрономов: например, не так уж давно удалось разглядеть, что делается под плотным покрывалом атмосферы Урана. Но, пожалуй, самая впечатляющая особенность планет-гигантов – алмазные дожди. Они давно были предсказаны планетологами, но только сейчас появилась возможность экспериментально воссоздать образование алмазов.

Большая группа исследователей из таких организаций, как Центр имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф (Германия), Национальная лаборатория ускорителей SLAC (США), Ливерморская национальная лаборатория (США) и нескольких других, смоделировали работу космической фабрики драгоценностей.

Авторы исследования полагают, что на Уране и Нептуне образуются алмазы в миллион карат. Поскольку они тяжелее окружающего вещества (например, Нептун более чем наполовину состоит из воды), драгоценные камни должны погружаться всё глубже и оседать толстым слоем вокруг ядра планеты.

У исследователей не было под рукой планеты-гиганта, поэтому результаты получились более скромными. В качестве сырья они взяли богатое углеродом вещество – полистирол. Это обычная пластмасса, из которой делают стаканчики для йогурта. В составе многих планет также присутствует много углеводородов. Например, Нептун на треть состоит из метана, что придаёт ему красивый голубой цвет.

Чтобы сымитировать колоссальное давление планетарных недр, учёные с помощью мощного оптического лазера создавали в веществе ударные волны. Две встречные волны порождали давление в полтора миллиона атмосфер и температуру в пять тысяч градусов. В этих условиях углерод на очень короткое время кристаллизовался в маленькие – размером в несколько нанометров – алмазы.

Такие крошечные кристаллы, конечно, невозможно разглядеть в микроскоп – они попросту меньше длины волны видимого света. Но на помощь исследователям пришёл рентгеновский лазер на свободных электронах, работающий в Национальной лаборатории ускорителей SLAC в Калифорнии.

У рентгеновских лучей длина волны намного меньше, чем у видимого света, поэтому они позволяют получать информацию о самых мелких объектах. Кстати, благодаря этому же лазеру недавно была создана первая 3D-анимация поведения вируса.

Быстродействие установки – импульсы излучения длились всего 50 фемтосекунд – позволило наблюдать образование драгоценной пыли в реальном времени. Это стало прорывом: в более ранних экспериментах удавалось получить только косвенные свидетельства этого процесса.

"Раньше исследователи могли только предположить, что алмазы сформировались, – говорит Доминик Краус (Dominik Kraus), ведущий автор исследования. – Когда я увидел результаты этого эксперимента, это был один из лучших моментов моей научной карьеры".

Научная статья Крауса и коллег опубликована в журнале Nature Astronomy.

Подтверждение рождённой на кончике пера идеи “бриллиантовых” дождей весьма важно для астрономии. Например, трение падающих алмазов об окружающее вещество должно разогревать планету изнутри. Специалисты считают, что это является, как минимум, одной из причин странного явления: Нептун излучает в окружающее пространство вдвое больше тепла, чем получает от Солнца.

К слову, планеты, на треть и более состоящие из алмазов, давно уже не удивляют астрономов. Как полагают специалисты, такое экзотическое небесное тело может образоваться, когда гигант вроде Нептуна под действием гравитации других тел окажется слишком близко к своей звезде. Такие летучие вещества, как вода, метан и аммиак, при этом, конечно, испарятся, а вот алмазное ядро останется. К сожалению, в безбрежных пустынях космоса это абсолютно неликвидный актив.