Вероятность «алмазного» дождя на ледяных планетах выше, чем предполагалось изначально

Внешние слои Урана, Нептуна и некоторых экзопланет состоят в основном из крошечных молекул, таких как вода, аммиак и метан. Их обычно называют «ледяными планетами». Материя внутри них испытывает невероятно сильные давление и температуру, превышающие миллионы атмосфер и тысячи градусов. Такие экстремальные условия оказывают глубокое влияние на свойства материи, в конечном итоге влияя на общие характеристики и особенности планеты.


Существуют различные примеры, демонстрирующие уникальные свойства тех или иных веществ в экстремальных условиях. Одним из таких примеров является образование суперионного льда под воздействием высокого давления и температуры. В этом состоянии кристаллическая решетка ионов кислорода позволяет ионам водорода свободно перемещаться, что приводит к электропроводности. Считается, что такая проводимость в слоях льда ответственна за сложные магнитные поля, наблюдаемые на Уране и Нептуне. Кроме того, метан также претерпевает трансформации в экстремальных условиях. Сначала он подвергается реакциям с образованием более сложных углеводородов, а затем в конечном итоге распадается на углерод и водород в недрах небесных тел.

Споры о «алмазном дожде»

Идея разложения углеводородов, приводящая к явлению, известному как «алмазный дождь», когда алмазы проникают сквозь окружающий лед, уже высказывалась ранее. Однако существуют серьезные разногласия относительно удельного давления и температуры, необходимых для фактического образования алмазов из углеводородов, в зависимости от используемого метода. При статическом сжатии, когда образец сжимается между двумя алмазными пластинами, образование алмазов было обнаружено при давлениях, превышающих 10 ГПа (100 кбар) и температуре 2500 К. С другой стороны, когда применялось динамическое сжатие, предполагающее введение ударной нагрузки. волн в образец образование алмаза не наблюдалось до тех пор, пока давление не достигло 140 ГПа, а температура не достигла 6000 К.

Чтобы разобраться в этом несоответствии и лучше понять условия, при которых алмаз может образовываться на ледяных планетах, а также размеры ледяных экзопланет, способствующие этому процессу, группа ученых провела серию исследований. Эксперименты проводились на статически сжатом полистироле с помощью установки European X-ray Free Electron Laser (EuXFEL). Стоит отметить, что специфическая химическая структура углеводородного предшественника, используемого в этих экспериментах, не была определяющим фактором, поскольку углерод-водородные связи имели короткий срок службы, и первоначальная структура в конечном итоге терялась до образования алмаза.

Уникальный экспериментальный аппарат предоставил исследователям возможность наблюдать и контролировать реакцию полистирола на изменения температуры с течением времени. Исследователи были свидетелями создания алмазов в режиме реального времени благодаря способности рентгеновских импульсов проникать в полистирол и предоставлять важную информацию о превращении углеводородного материала. Принцип эксперимента заключался в сжатии полистирола вместе с проколотой покрытием из золотой фольги.

Фольга обладает уникальной способностью поглощать интенсивные рентгеновские импульсы, которые были сгенерированы EuXFEL. Эти импульсы были просто потрясающими: их энергия составляла около 100 микроджоулей, а продолжительность менее 50 фемтосекунд. EuXFEL способен генерировать эти импульсы с частотой повторения 4,5 мегагерц, что означает, что между каждым импульсом проходит всего лишь 220 наносекунд.

Главная цель этого эксперимента заключалась в изучении поведения плотных углеводородных материалов, в особенности полистирола, при высоких температурах. Рентгеновские импульсы были направлены на полистирол через маленькие отверстия в золотой фольге, позволяя большей части луча проникнуть и взаимодействовать с нагретым полистиролом внутри. Однако большая часть луча была поглощена золотой фольгой, которая в свою очередь нагревала систему, готовясь к следующему импульсу.

Низкое давление для образования алмаза

Тот факт, что для образования алмазов требуется низкое давление, имеет важное значение для нашего понимания ледяных планет. Когда алмазы падают дождем, они высвобождают внутреннюю энергию, которая возникает на меньшей глубине и изменяет нагретую область. Это отличается от результатов исследований динамического сжатия, поскольку исследования показали, что образование алмазов происходит над слоями суперионного льда.

Присутствие алмазосодержащего материала в слоях вулканических колонн отвечает за процесс, называемый перемешиванием. Он оказывает существенное влияние на поддержание и возникновение крупномасштабной конвекции в проводящих суперионных слоях льда. Считается, что именно эти слои льда ответственны за генерацию магнитных полей, наблюдаемых на ледяных планетах.