Содержание
На Нептуне и Уране действительно идут дожди из алмазов. Ученые доказали это на Земле
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, NASA
Ученые давно подозревали, что на Уране и Нептуне могут идти дожди из настоящих алмазов. Теперь это предположение получило еще одно подтверждение — причем новые доказательства были получены опытным путем.
Обе эти планеты относятся к так называемым ледяным гигантам, хотя на самом деле вещество, из которого они состоят, находится в жидко-газообразном состоянии, а его температура достигает нескольких тысяч градусов.
- Ученые заметили рождение новой планеты из звездной пыли
- В Солнечной системе обнаружена новая карликовая планета
- На Плутоне можно увидеть сердце — и другие малоизвестные факты о карликовой планете
Атмосфера как Урана, так и Нептуна, состоит в основном из гелия и водорода, но глубже находятся более тяжелые элементы и вещества, в том числе метан.
Согласно гипотезе, на глубине около 7 тыс. км температура и давление достигают такой величины, что метан должен распадаться на составляющие его элементы: углерод и водород.
В результате более легкий водород поднимается в атмосферу, а углерод под действием окружающей среды превращается в кристаллы алмаза и, напротив, медленно опускается ближе к каменно-ледяному ядру.
Чтобы подтвердить эту теорию, исследователи американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Стэнфордском университете решили воссоздать на Земле условия, близкие к тем, что можно найти в глубинах Урана.
Сделать это открытие ученым из SLAC удалось при помощи уникальной аппаратуры лаборатории, а вместо метана (Ch5) они использовали стирол (C8H8) — его физические свойства больше похожи на вещество, в которое превращается метан при столь колоссальном давлении и температуре.
При помощи лазера на свободных электронах LCLS (Linac Coherent Light Source) стирол разогрели до температуры 5000 кельвинов (примерно настолько жарко, если забраться вглубь Урана или Сатурна на 10 тысяч километров), а давление увеличили до 1,5 млн бар — по словам одного из авторов эксперимента, «это все равно что поставить 250 африканских слонов на ноготь большого пальца».
Автор фото, AFP
Подпись к фото,
Так выглядит планета Уран
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
В результате им удалось увидеть, как содержащийся в стироле углерод превращается в алмазы, а оставшаяся часть вещества выделяется в виде чистого водорода.
Первый в мире рентгеновский излучатель на свободных электронах был разработан в той же лаборатории. Он усиливает рентгеновские волны, генерируя лазерное излучение без использования системы зеркал, и за счет этого позволяет проводить более точные измерения.
Теория возникновения алмазов на ледяных гигантах была выдвинута несколько десятилетий назад — и с тех пор неоднократно подтверждалась как расчетами, так и экспериментально.
В 2017 году ее почти удалось доказать специалистам все той же лаборатории SLAC в Калифорнии. Тогда они использовали оптический лазер Matter in Extreme Conditions (MEC), но теперь — при помощи нового точного оборудования — процесс превращения углерода в алмазы изучен значительно более подробно.
Об Уране и Нептуне — самых отдаленных планетах нашей Солнечной системы — ученым известно сравнительно немного. Обе они находятся настолько далеко от Земли, что добраться до них удалось только космическому зонду «Вояджер-2» — но и тот лишь пролетел мимо них, поскольку у него не было задачи пристально изучать эти планеты.
По данным НАСА, в нашей галактике примерно в 10 раз больше ледяных гигантов, похожих на Уран и Нептун (иногда их так и называют — холодные нептуны), чем так называемых холодных юпитеров (к ним в Солнечной системе относятся сам Юпитер и Сатурн).
Новое открытие это, в свою очередь, подтверждает и еще одну догадку ученых.
Дело в том, что Нептун излучает примерно в 2,6 раза больше энергии, чем получает от Солнца. По всей видимости, если к ядру планеты действительно постоянно опускаются алмазы, то их гравитационная энергия превращается в тепловую за счет трения с другими материалами, что и разогревает планету.
На Уране и Нептуне действительно идут дожди из алмазов,
В ходе наземных экспериментов ученые определили, что на двух ледяных гигантах могут идти «дожди» из алмазов. Теперь осталось это только проверить, отправив туда космический аппарат.
Related video
На первый взгляд самые далекие планеты Уран и Нептун — это просто ледяные гиганты и там нет ничего интересного. Астрофизик из Университет штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук Пол Саттер утверждает, что эксперименты, проведенные на Земле, показывают – там идут настоящие дожди из алмазов, сообщает Space
Состав планет
Уран и Нептун состоят в основном из воды, аммиака и метана. Астрономы обычно называют эти молекулы «льдом», а сами планеты ледяными гигантами, хотя это не совсем правильно, говорит Саттер.
Единственная причина, по который можно говорить о льде на этих планетах та, что во время формирования на Уране и Нептуне эти элементы, возможно были в твердой форме.
Но до сих пор очень мало известно о внутреннем строении этих планет-гигантов. Последние данные, которые получили на Земле об этих планетах, прислал 30 лет назад космический аппарат «Вояджер-2».
«Поэтому только с помощью моделирования и экспериментов мы поняли, что на Уране и Нептуне могут быть так называемые алмазные дожди», — говорит Саттер.
С помощью экспериментов и на основе знаний о составе Урана и Нептуна, ученые выяснили, что самые внутренние области мантий этих планет, вероятно, имеют температуру где-то около 6727 градусов Цельсия и давление в 6 млн раз больше, чем в атмосфере Земли.
Самые внешние слои мантии, по словам ученых, холоднее – примерно 1727 Цельсия, и там меньшее давление – примерно в 200 тысяч раз больше, чем в земной атмосфере.
Уран
Фото: wikipedia
- Седьмая планета Солнечной системы
- Обнаружено 27 спутников
- У планеты есть слабо выраженные кольца
- Среднее расстояние от Урана до Солнца 2,8 млрд км
- 1 год длится 84 земных года
Нептун
Нептун
Фото: wikipedia
- Восьмая и последняя планета Солнечной системы
- Обнаружены 14 спутников
- У планеты есть система колец
- Среднее расстояние от Нептуна до Солнца 4,55 млрд км
- 1 год длится 165 земных лет
Дождь из алмазов
«Возникает вопрос: что происходит с водой, аммиаком и метаном при таких температурах и давлении?», — говорит Саттер.
Если речь идет о метане, то сильное давление может разорвать молекулу и освободиться углерод. Потом углерод находит других своих «сородичей», образует длинные цепочки, которые потом сжимаются и превращаются в кристаллические решетки, похожие на алмаз.
Эти алмазные образования погружаются сквозь слои мантии, пока не достигают очень высоких температур и испаряются, выходя обратно наверх. И это повторяющийся цикл можно назвать дождем из алмазов, говорит Саттер.
Чтобы точно проверить эти лабораторные эксперименты нужно отправить к Урану и Нептуну космический аппарат для тщательного изучения. Но пока основная цель нынешних и будущих исследований сосредоточена на газовых гигантах – Юпитере и Сатурне.
«Основываясь на всем, что мы знаем о составе ледяных гигантов, их внутреннем строении, результатах лабораторных экспериментов и моделировании, алмазный дождь — это вполне реальная вещь», — заключает Саттер.
Фокус уже писал о том, что Уран и Нептун – это самые холодные планеты Солнечной системы, а также о том, что на крупнейших спутниках Урана могут скрываться океаны.
Алмазы на Уране: Как может идти дождь из драгоценных камней в миллионы каратов на ледяных планетах
Алмазы являются одним из самых востребованных товаров на Земле из-за их красоты, полезности в промышленных процессах и, конечно же, их редкости.
Потребуются миллионы, даже миллиарды лет, чтобы сформироваться глубоко внутри Земли, и у нас есть только алмазы на поверхности планеты из-за извержений вулканов.
Новое научное исследование показало, что, хотя алмазы в дефиците на нашей родной планете, они, тем не менее, могут быть в изобилии в других частях Вселенной.
Более ранние гипотезы и эксперименты показали возможность того, что ледяные планеты-гиганты буквально проливают алмазный дождь в виде особого типа осадков, вызванных невероятным уровнем давления.
Теперь ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США обнаружили, что присутствие кислорода делает образование алмазов более вероятным, а это означает, что они могут формироваться в более широком диапазоне условий.
Это означает, что алмазный дождь может быть явлением даже на большем количестве планет, чем считалось ранее.
Алмазный дождь на ледяных гигантах
Некоторые ученые считают, что явление алмазного дождя происходит на Уране и Нептуне в нашей Солнечной системе.
Считается, что он существует примерно на 8000 км ниже поверхности наших соседей-ледяных гигантов, созданных из часто встречающихся смесей водорода и углерода, сжатых вместе под невероятным давлением.
И эксперимент , проведенный в 2017 году , смоделировал среду внутри двух соседних ледяных гигантов.
Ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США впервые смогли создать и наблюдать алмазный дождь.
Исследователи смоделировали окружающую среду внутри планет, создав ударные волны в пластике с помощью мощного оптического лазера.
Они смогли увидеть, что почти каждый атом углерода исходного пластика был включен в маленькие алмазные структуры шириной до нескольких нанометров.
В то время как алмазы, созданные в ходе эксперимента, очень малы, настоящие алмазные дождевые капли на Уране и Нептуне, по прогнозам, будут намного крупнее — размером в миллионы каратов.
Кислород секретный ингредиент
Новое исследование включало новый материал, который, по словам исследователей, больше напоминает химический состав Нептуна и Урана.
Хотя эти две планеты содержат углерод и водород, они также содержат другие элементы, такие как большое количество кислорода.
Они обнаружили, что присутствие кислорода делает образование алмазов более вероятным, что влияет на то, насколько распространено это явление во Вселенной.
«Предыдущая статья была первым случаем, когда мы непосредственно наблюдали образование алмазов из любых смесей», — сказал Зигфрид Гленцер, директор отдела высокой плотности энергии в SLAC.
«С тех пор было проведено довольно много экспериментов с разными чистыми материалами. Но внутри планет все намного сложнее; в смеси гораздо больше химических веществ.
Итак, мы хотели выяснить, какой эффект оказывают эти дополнительные химические вещества».
Как и в предыдущем эксперименте, исследователи направили лазеры на определенный тип пластика, чтобы увидеть, как он влияет на атомы.
Этот пластик, однако, был ПЭТ-пластиком, который «имеет хороший баланс между углеродом, водородом и кислородом для имитации активности ледяных планет», по словам Доминика Крауса, физика из HZDR и профессора Ростокского университета.
Команда, возглавляемая Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и Ростокским университетом в Германии, а также Французской политехнической школой в сотрудничестве с SLAC, , опубликовала результаты в журнале Science Advances.
Авторы говорят, что новые результаты могут также привести к новому способу производства наноалмазов, которые можно найти для ряда практических применений здесь, на Земле.
К ним относятся доставка лекарств, медицинские датчики, неинвазивная хирургия, устойчивое производство и квантовая электроника.
Да, на Уране и Нептуне действительно идет «алмазный дождь»
На этой иллюстрации показан алмазный дождь на Нептуне. (Изображение предоставлено Грегом Стюартом/Национальной ускорительной лабораторией SLAC). все внимание обращено на их более крупных братьев и сестер, могучего Юпитера и великолепного Сатурна.
На первый взгляд, Уран и Нептун — просто скучные шарики из неинтересных молекул. Но под внешними слоями этих миров может скрываться нечто впечатляющее: постоянный дождь из бриллиантов.
Связанный: Алмазный дождь ледяных планет, созданный в лазерной лаборатории , Уран и Нептун.
Однако, как ни странно, это название не имеет ничего общего со льдом в том смысле, в каком вы обычно его узнаете, например, с кубиками льда в вашем напитке. Различие исходит из того, из чего сделаны эти планеты. Газовые гиганты системы, Юпитер и Сатурн почти полностью состоят из газа: водорода и гелия. Именно благодаря быстрому накоплению этих элементов этим огромным планетам удалось увеличиться до их нынешних размеров.
Уран и Нептун, напротив, состоят в основном из воды, аммиака и метана. Астрономы обычно называют эти молекулы «льдом», но на самом деле для этого нет веской причины, за исключением того, что, когда планеты только формировались, эти элементы, вероятно, были в твердой форме.
В (не очень) ледяные глубины
Глубоко под вершинами зеленых или синих облаков Урана и Нептуна находится много воды, аммиака и метана. Но эти ледяные гиганты, вероятно, имеют каменные ядра, окруженные элементами, которые, вероятно, сжаты в экзотические квантовые состояния. В какой-то момент эта квантовая странность превращается в «суп» под сверхвысоким давлением, который обычно разжижается по мере приближения к поверхности.
Но, по правде говоря, мы мало что знаем о внутренностях ледяных великанов. В последний раз мы получали подробные данные об этих двух мирах три десятилетия назад, когда «Вояджер-2» пронесся мимо, выполняя свою историческую миссию.
С тех пор Юпитер и Сатурн принимали множество орбитальных зондов, однако наши наблюдения за Ураном и Нептуном ограничивались наблюдениями в телескоп.
Чтобы попытаться понять, что находится внутри этих планет, астрономы и планетологи должны взять эти скудные данные и объединить их с лабораторными экспериментами, которые пытаются воспроизвести условия внутри этих планет. Кроме того, они используют старую добрую математику — очень много. Математическое моделирование помогает астрономам понять, что происходит в той или иной ситуации на основе ограниченных данных.
Именно благодаря сочетанию математического моделирования и лабораторных экспериментов мы поняли, что на Уране и Нептуне может быть так называемый алмазный дождь.
Связанный: Удивительные фотографии чудовищного шторма в атмосфере Сатурна
Идет алмазный дождь
Идея алмазного дождя была впервые предложена до запуска миссии «Вояджер-2» в 1977 году. Обоснование было довольно простым: мы знаем, что такое Уран и Нептун состоит из , и мы знаем, что вещество становится горячее и плотнее, чем глубже вы погружаетесь на планету.
Математическое моделирование помогает заполнить детали, например, самые внутренние области мантии этих планет, вероятно, имеют температуру где-то около 7000 градусов по Фаренгейту (12 140 градусов по Фаренгейту, или 6727 градусов по Цельсию) и давление в 6 миллионов раз больше, чем 9.0061 Атмосфера Земли .
Те же самые модели говорят нам, что самые внешние слои мантии несколько холоднее — 2000 К (3140 F или 1727 C) — и находятся под несколько менее интенсивным давлением (в 200 000 раз выше земного атмосферного давления). Поэтому естественно задаться вопросом: что происходит? к воде, аммиаку и метану при таких температурах и давлениях?
В случае метана, в частности, сильное давление может разорвать молекулу на части, высвобождая углерод. Затем углерод находит своих собратьев, образуя длинные цепи. сжимаются вместе, образуя кристаллические узоры, подобные бриллиантам.0003
Затем плотные алмазные образования падают сквозь слои мантии, пока не станет слишком жарко, где они испаряются, всплывают обратно и повторяют цикл — отсюда и термин «алмазный дождь».
Похожие истории:
Алмазы, выращенные в лаборатории
Лучший способ проверить эту идею — отправить космический корабль к Урану или Нептуну. В ближайшее время такой возможности не будет, поэтому нам придется пойти вторым путем: лабораторными экспериментами.
На Земля мы можем стрелять мощными лазерами по целям, чтобы на короткое время воспроизвести температуру и давление внутри ледяных гигантов. Один эксперимент с полистиролом (он же пенополистирол) позволил сделать алмазы наноразмера . Нет, Уран и Нептун не содержат большого количества полистирола, но с пластиком было гораздо легче обращаться в лаборатории, чем с метаном, и, по-видимому, он ведет себя очень похоже.
Кроме того, Уран и Нептун могут поддерживать это давление намного дольше, чем лабораторный лазер, так что алмазы, по-видимому, могут вырасти и стать намного больше, чем наноразмеры.
Конечный результат? Основываясь на всем, что мы знаем о составе ледяных гигантов, их внутреннем строении, результатах лабораторных экспериментов и нашего математического моделирования, алмазный дождь — вполне реальная вещь.
Пол М. Саттер является астрофизиком по адресу SUNY Стонинг Брук и Институт Флэтрон, ведущий « Спросите Spaceman » и « Spaceman » и « Space » и « » « и» «» и « » «» «» «» «» «» . Как умереть в космосе ».
Узнайте больше, прослушав подкаст «Спросите космонавта», доступный на iTunes (открывается в новой вкладке) и askaspaceman.com . Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.