Дълбоко в сърцата на Нептун и Уран може да валят диаманти

Сега учените представиха нови експериментални доказателства, показващи как това би могло да бъде възможно.

Хипотезата гласи, че поради интензивната топлина и налягане хиляди километри под повърхността на тези ледени гиганти раздел въглеводородни съединения се преобразуват, като въглеродът се компресира в диамант и потъва още по-дълбоко към планетарните ядра.

Новият експеримент използва рентгеновия лазер Linac с кохерентна светлина (LCLS) на Националната ускорителна лаборатория SLAC за най-прецизни измервания за да установи как трябва да протича този „диамантен дъжд“ – и установи, че въглеродните съединения преминават директно в кристален диамант.

„Това изследване предоставя данни за явление, което е много трудно да се изчисли:„ смесимостта “на два елемента или как те се комбинират, когато се смесват“, обяснява физикът Майк Дън, директор на LCLS.

„Можем да видим как два елемента се разделят, нещо като майонеза, която се разделя обратно в олио и киселина.“

Нептун и Уран са най-слабо познатите планети в Слънчевата система. Те са твърде далеч – само една космическа сонда, Voyager 2 е била близо до тях и то само за да ги облети, а не за да кацне на дългосрочна мисия.

Но ледените гиганти са изключително често срещани в Млечен път – според НАСА екзопланетите, подобни на Нептун, са 10 пъти по-разпространени от екзопланетите, подобни на Юпитер.

Следователно разбирането на ледените гиганти на Слънчевата система е от жизненоважно значение за разбирането на планетите в цялата галактика. И за да ги разберем по-добре, трябва да знаем какво се случва в тях.

Знаем, че атмосферата на Нептун и Уран се състои предимно от водород и хелий, с малко количество метан. Под тези атмосферни слоеве около ядрото на планетата се увива свръхплътна течност от „ледени“ материали като вода, метан и амоняк.

Изчисленията и експериментите от десетилетия показват, че при достатъчно налягане и температура метанът може да бъде разграден на диаманти – което предполага, че диамантите могат да се образуват в този горещ, плътен материал.

Предишен експеримент в SLAC, воден от физика Доминик Краус в Хелмхолц-Центрум Дрезден, в Германия, използва рентгенова дифракция, за да го демонстрира. Сега Краус и неговият екип са направили стъпка напред в своите изследвания.

„Сега имаме много обещаващ нов подход, основан на рентгеново разсейване“, казва Краус за последните си усилия. „Нашите експерименти доставят важни параметри на модела, където преди имахме само огромна несигурност.“

Предизвикателство е да възпроизведете интериора на гигантски планети тук, на Земята. Имате нужда от доста интензивно оборудване – това е LCLS. И ти трябва материал, който копира нещата вътре в тази гигантска планета. За това екипът използва въглеводородния полистирол (C8H8) вместо метан (СН4).

Първата стъпка е нагряването и притискането на материала, за да се възпроизведат условията вътре в Нептун на дълбочина от около 10 000 километра: импулси от оптичен лазер генерират ударни вълни в полистирола, който загрява материала до около 4 727 градуса Целзий, или 8 540 градуса по Фаренхайт. Освен това създава интензивен натиск.

„Ние произвеждаме около 1,5 милиона бара, което се равнява на налягането, упражнено от теглото на около 250 африкански слона върху миниатюрна повърхност“, казва Краус.

В предишния експеримент беше използвана рентгенова дифракция, за да се изследва материала. Това работи добре за материали с кристални структури, но по-малко за некристални молекули, така че картината беше непълна. В новия експеримент екипът използва различен метод, измервайки как рентгеновите лъчи разпръскват електрони в полистирола.

Това им позволява не само да наблюдават превръщането на въглерода в диамант, но и какво се случва с останалата част от пробата. И почти няма остатъчен въглерод.

„В случая с ледените гиганти сега знаем, че въглеродът почти изключително образува диаманти, когато се отделя и не приема течна преходна форма“, казва Краус.

Това е важно, защото има нещо наистина странно в Нептун. Вътрешността му е доста по-гореща, отколкото трябва да бъде; всъщност той отделя 2,6 пъти повече енергия, отколкото поглъща от Слънцето.

Ако диамантите – по-плътни от материала около тях – валят надолу във вътрешността на планетата, те могат да отделят гравитационна енергия, която се превръща в топлина, генерирана от триене между диамантите и материала около тях.

„Този експеримент показва метод, който бихме могли да използваме, за да „изследваме“ интериора на други планети в Слънчевата система. Тази техника ще ни позволи да измерим интересни процеси, които иначе е трудно да се пресъздадат“, казва Краус.