Алмаз считается одним из самых твёрдых природных материалов, однако в недрах планет он может оказаться в совершенно непривычном состоянии. При колоссальном давлении и температуре кристаллическая структура углерода меняется, а при ещё более экстремальных условиях алмаз превращается в жидкость. Именно такие процессы, как предполагается, могут происходить глубоко внутри Урана и Нептуна и приводить к формированию так называемого «алмазного дождя».
Теперь физикам удалось получить новые экспериментальные данные о поведении алмаза при давлениях порядка одного терапаскаля. Исследование помогло разрешить давнее расхождение между лабораторными измерениями и расчётами, а также показало, что кристаллическая структура алмаза может сохраняться значительно дольше, чем предполагали некоторые модели. Полученные результаты важны не только для планетологии, но и для исследований управляемого термоядерного синтеза.
Что происходит с алмазом внутри планет
Уран и Нептун называют ледяными гигантами, однако это название не означает, что их недра заполнены обычным водяным льдом. Внутри этих планет вещество находится под настолько огромным давлением и при таких температурах, что привычные представления о твёрдых, жидких и газообразных материалах перестают работать.
Модели строения ледяных гигантов предполагают наличие глубоких слоёв, богатых водой, аммиаком и углеводородами. По мере увеличения глубины давление и температура растут, а химические соединения могут распадаться и переходить в необычные состояния. Именно поэтому процессы, происходящие в недрах Урана и Нептуна, невозможно изучать простым наблюдением поверхности: необходимы физические эксперименты и компьютерное моделирование.
Одной из наиболее интересных возможностей считается образование углерода в кристаллической форме. Если при определённых условиях углерод выделяется из содержащих его соединений и формирует алмазоподобную структуру, более плотный материал может перемещаться вниз под действием гравитации. Так возникает образная картина «алмазного дождя».
Почему речь идёт именно об алмазах
Алмаз представляет собой кристаллическую форму углерода, в которой атомы образуют чрезвычайно прочную структуру. Но устойчивость этой структуры зависит не только от температуры. Огромное давление способно существенно изменить свойства вещества и границы существования различных фаз углерода.
Внутри планет давление может достигать значений, которые невозможно получить в обычных лабораторных установках. Поэтому исследователи используют кратковременное динамическое сжатие: маленький образец вещества подвергается воздействию очень мощной ударной волны. В течение крайне короткого промежутка времени материал оказывается в условиях, близких к тем, которые существуют глубоко внутри планет.
Новые эксперименты позволили проверить не только температуру плавления алмаза, но и проследить за его атомной структурой непосредственно перед переходом в жидкое состояние. Это особенно важно, поскольку именно здесь ранее возникало существенное противоречие между экспериментальными данными и теоретическими расчётами.
«Алмазный дождь» — это не обычный дождь
Термин «алмазный дождь» удобен для популярного описания предполагаемого процесса, но он не означает, что внутри Нептуна существуют привычные нам капли драгоценного камня.
Речь идёт о поведении углерода в экстремальной среде. В определённых слоях планеты химические соединения могут распадаться, а углерод — переходить в плотную кристаллическую форму. Если образовавшиеся структуры оказываются плотнее окружающего материала, они будут перемещаться в сторону более глубоких слоёв.
Кроме того, при ещё более высокой температуре и давлении алмаз может расплавиться. Поэтому внутренности ледяных гигантов нельзя представить как слой, заполненный готовыми твёрдыми алмазами. Состояние углерода должно зависеть от конкретных давления, температуры и состава окружающего вещества.
Как алмаз удалось подвергнуть экстремальному испытанию
Чтобы исследовать поведение алмаза при таких условиях, учёные использовали лазерную установку OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера. Эксперимент основан на ударном сжатии.
Исследователи направляли лазерное излучение таким образом, чтобы испарить внешний слой небольшого образца. Это создавало направленное воздействие, которое формировало мощную ударную волну и заставляло оставшуюся часть алмазного материала сжиматься.
В результате образец на чрезвычайно короткое время — примерно на миллиардную долю секунды — оказывался при давлениях порядка одного терапаскаля и температурах в несколько тысяч градусов. Давление в эксперименте было более чем в три раза выше давления в центре Земли. Температура при этом была сопоставима с температурой поверхности Солнца.
Почему эксперимент продолжался всего миллиардную долю секунды
Создать такие условия на протяжении заметного времени практически невозможно. При столь огромном давлении любое вещество подвергается чрезвычайно сильному воздействию, а лабораторная система быстро возвращается в другое состояние.
Поэтому исследователям приходится одновременно создавать экстремальные условия и регистрировать происходящее практически мгновенно. Это одна из главных сложностей экспериментов с веществом при сверхвысоких давлениях.
В данном случае особенно важным оказался рентгеновский дифракционный анализ. Он позволил определить атомную структуру сжатого вещества. Для углерода подобные измерения чрезвычайно сложны: лёгкие атомы рассеивают рентгеновское излучение значительно слабее, чем тяжёлые элементы, поэтому полезный сигнал получается очень слабым.
Какие измерения проводили одновременно
Для исследования использовали сразу несколько диагностических методов. Оптическая велосиметрия позволяла определять характеристики движения и распространения ударной волны, пирометрия использовалась для оценки температуры, а рентгеновская дифракция давала информацию об атомной структуре материала.
Именно сочетание этих методов стало одним из ключевых преимуществ нового эксперимента. Предыдущие исследования могли достаточно хорошо определить отдельные параметры состояния вещества, но не обеспечивали столь прямой проверки того, какая именно структура сохраняется в образце вплоть до плавления.
В результате исследователи смогли связать наблюдаемое изменение свойств алмаза с его реальным атомным состоянием.
Двадцатилетняя проблема с температурой плавления
Эксперименты с алмазом при сверхвысоком давлении проводятся уже много лет. Одно из ранних исследований, выполненное около двух десятилетий назад, показало необычное поведение плотности алмаза при плавлении.
Для большинства привычных материалов повышение плотности при переходе из твёрдого состояния в жидкое было бы неожиданным, хотя хорошо известен другой пример: вода в жидком состоянии плотнее льда. Поэтому лёд плавает на поверхности воды.
Аналогичное поведение углерода при экстремальных давлениях означало бы, что твёрдый алмаз может быть менее плотным, чем окружающий его жидкий углерод. Это имеет непосредственное значение для моделей внутреннего строения планет, где движение материала определяется его плотностью.
Однако старые измерения породили другую проблему. Экспериментальная температура плавления алмаза заметно отличалась от значений, которые давали расчёты на основе квантово-механических моделей. Разница доходила примерно до 20%, что для подобных условий соответствовало более чем тысяче градусов.
Для обычного материала такая разница уже была бы существенной. Для физики экстремальных состояний вещества она особенно важна, поскольку небольшое изменение температуры может означать переход между совершенно разными фазами.
Предполагался ли промежуточный кристалл
Дополнительные эксперименты также породили предположение, что перед плавлением алмаз может переходить в другую кристаллическую форму углерода.
Речь шла о структуре BC8. Теоретические расчёты показывали, что при давлениях около одного терапаскаля такая фаза может быть энергетически выгоднее обычной алмазной структуры. Некоторые предыдущие эксперименты давали признаки того, что алмаз действительно может пройти через промежуточное состояние перед окончательным плавлением.
Но прямого измерения атомной структуры, которое однозначно подтвердило бы этот переход в условиях ударного сжатия, ранее не было. Именно этот вопрос стал одной из задач нового исследования.
Алмаз сохранил свою структуру до самого плавления
Результат нового эксперимента оказался неожиданным. При ударном сжатии кристаллическая структура алмаза сохранялась вплоть до перехода в жидкое состояние. Иными словами, исследователи не обнаружили обязательного промежуточного перехода в другую кристаллическую фазу непосредственно перед плавлением.
Полученные данные показывают, что в исследованном режиме алмаз может оставаться в исходной кристаллической структуре до давления около одного терапаскаля. Это отличается от некоторых предыдущих интерпретаций поведения углерода при экстремальных давлениях.
Важную роль здесь может играть скорость воздействия. При одном мощном ударе материал оказывается в необычном состоянии настолько быстро, что его структура не успевает перестроиться в равновесную фазу. В результате алмаз может сохранять так называемое метастабильное состояние даже там, где при более медленном изменении условий другая структура была бы более выгодной с термодинамической точки зрения.
Таким образом, результат эксперимента показывает, что для определения состояния вещества недостаточно знать только давление и температуру. Важен также путь, которым материал пришёл к этим условиям.
Что произошло с температурой плавления
Новые измерения также позволили значительно лучше определить границу плавления алмаза. Экспериментальные результаты хорошо согласовались с современными квантово-механическими расчётами.
При давлениях в районе одного терапаскаля плавление наблюдалось при температуре около 7300 К, причём при дальнейшем увеличении давления температура плавления немного снижалась. Это позволило устранить прежнее существенное расхождение между экспериментом и теорией.
Таким образом, работа не просто показала, что алмаз способен существовать при чрезвычайном давлении. Она дала более надёжную экспериментальную основу для описания его поведения на границе между твёрдым и жидким состояниями.
Что новый результат говорит о недрах Урана и Нептуна
Прямо заглянуть в глубины Урана и Нептуна невозможно. Даже космический аппарат, который когда-нибудь сможет исследовать атмосферу этих планет гораздо подробнее, не сможет непосредственно наблюдать области, находящиеся глубоко под внешними слоями.
Поэтому планетологи используют сочетание данных о массе, размере, гравитационном поле и атмосфере планет с лабораторными экспериментами и компьютерными моделями. Чем точнее известны свойства веществ при соответствующих давлениях и температурах, тем надёжнее можно рассчитывать возможную структуру недр.
Новые результаты дают таким моделям более точную информацию о поведении углерода. Эксперимент охватил давления, превышающие ожидаемые в недрах ледяных гигантов, поэтому полученные данные позволяют лучше ограничить область возможных состояний углерода внутри этих планет.
Почему плавление алмаза имеет значение для «дождя»
Если углерод в глубинах планеты действительно кристаллизуется в виде алмаза, его дальнейшее поведение будет зависеть от окружающих условий. Твёрдые кристаллы могут перемещаться в более глубокие области, а при изменении температуры и давления — плавиться.
Полученная экспериментальная кривая плавления помогает определить, в каких областях внутреннего пространства планеты углерод может оставаться твёрдым, а где должен переходить в жидкое состояние. Это, в свою очередь, влияет на расчёты движения вещества и теплового обмена в недрах.
При этом эксперимент не является непосредственным доказательством того, что внутри Урана или Нептуна действительно идёт непрерывный «алмазный дождь». Он устанавливает физические свойства углерода при экстремальных условиях, которые затем используются для проверки планетных моделей. Само образование алмазов в недрах ледяных гигантов остаётся частью более широкой модели их химического и внутреннего строения.
Связь с внутренним теплом планет
Поведение углерода может быть связано и с переносом энергии внутри планеты. Если плотные кристаллические частицы перемещаются через окружающий материал, они способны перераспределять вещество и энергию.
Однако не следует сводить необычно высокое внутреннее излучение Нептуна только к «алмазному дождю». Тепловой баланс ледяных гигантов определяется сложными процессами в их недрах и атмосфере, а роль различных механизмов продолжает исследоваться.
Новые экспериментальные данные позволяют сделать расчёты таких процессов более физически обоснованными, но сами по себе не дают полного ответа на вопрос о происхождении внутреннего тепла Нептуна или Урана.
Почему исследование алмаза оказалось важным для термоядерного синтеза
У эксперимента есть и совершенно земное применение. Алмаз используется в установках инерционного термоядерного синтеза в качестве материала капсул, внутри которых находится термоядерное топливо.
В Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций NIF мощные лазерные импульсы направляются на специальную капсулу. Сильное воздействие заставляет её быстро сжиматься, а находящееся внутри топливо достигает условий, необходимых для реакций термоядерного синтеза.
При этом чрезвычайно важно, чтобы сжатие происходило максимально равномерно. Любые существенные неоднородности могут нарушить симметрию имплозии и снизить эффективность реакции. Поэтому состояние алмазной оболочки на ранних стадиях сжатия имеет большое значение.
Почему слишком сильный первый удар может быть не лучшим решением
Чтобы обеспечить плавление алмазной капсулы на начальной стадии имплозии, специалисты NIF используют достаточно мощный первый ударный импульс. Новые данные показывают, что добиться необходимого состояния можно и при более медленном первоначальном сжатии.
Это принципиально важно потому, что более мягкий начальный удар позволяет сильнее сжать топливо впоследствии. В результате при той же энергии лазера теоретически можно получить больший выход термоядерной энергии.
Согласно расчётам исследователей, такой подход потенциально способен увеличить энергетический выход примерно втрое при условии, что удастся контролировать другие механизмы, снижающие эффективность имплозии. Это пока расчётная оценка, а не демонстрация трёхкратного увеличения выхода энергии непосредственно в ходе нового эксперимента.
Тройной рост выхода не означает термоядерную электростанцию
Заявление о потенциальном трёхкратном увеличении энергетического выхода может звучать впечатляюще, но его нельзя трактовать как создание готовой технологии производства электроэнергии.
NIF уже проводил эксперименты, в которых энергия термоядерной реакции превышала энергию лазерного импульса, доставленную непосредственно на мишень. Однако энергетический баланс всей установки значительно сложнее: для работы лазерной системы требуется гораздо больше энергии, чем непосредственно попадает на мишень.
Поэтому даже потенциальное трёхкратное увеличение выхода энергии в капсуле не означает автоматического достижения режима, при котором установка сможет производить больше энергии, чем потребляет вся инфраструктура. Исследователи сами отмечают, что до уровня, необходимого для практической энергетики, остаётся значительный путь.
Один эксперимент связал физику планет и термоядерный синтез
Особенность нового исследования заключается в том, что один и тот же набор физических данных оказывается полезным сразу для нескольких областей науки.
Для планетологов важно знать, как углерод ведёт себя при давлениях и температурах, которые существуют в глубинах Урана и Нептуна. Для специалистов по инерционному термоядерному синтезу те же сведения позволяют точнее рассчитывать поведение алмазной оболочки мишени во время сверхбыстрого сжатия.
В обоих случаях речь идёт об одном фундаментальном вопросе: как атомная структура углерода изменяется под воздействием экстремального давления и температуры.
Новые эксперименты показали, что в условиях ударного сжатия алмаз способен сохранять свою кристаллическую структуру вплоть до плавления при давлениях около одного терапаскаля. Одновременно удалось получить более точные данные о температуре плавления и устранить существенное расхождение между экспериментом и современными теоретическими расчётами.
Что учёные будут исследовать дальше
Полученные результаты не закрывают вопрос о поведении углерода при ещё более экстремальных условиях. Напротив, они создают основу для следующих экспериментов.
Исследователи планируют использовать возможности Национального комплекса лазерных термоядерных реакций для изучения алмаза при состояниях, которые ещё сложнее воспроизвести в лаборатории. В частности, интерес представляет поведение алмазных капсул на более поздних стадиях имплозии.
Отдельное направление связано с воздействием нескольких последовательных ударных волн. Новый эксперимент показал, что при одном быстром ударе алмаз может сохранить кристаллическую структуру в условиях, где равновесные расчёты допускают другую фазу. Поэтому важно выяснить, насколько долго такая структура сохраняется, если материал подвергается серии ударов, а не одному импульсу.
Для планетологии это также имеет значение. Чем лучше экспериментаторы понимают фазовые переходы углерода и свойства его жидкого состояния, тем точнее можно моделировать внутреннюю эволюцию ледяных гигантов и других богатых углеродом планет.
В итоге «алмазный дождь» остаётся не просто эффектной научной метафорой, а проверяемой физической гипотезой, для которой постепенно появляется всё более надёжная экспериментальная база. Новая работа не позволяет увидеть происходящее внутри Нептуна непосредственно, но показывает, что процессы в лаборатории можно воспроизводить при давлениях, превышающих планетные, и использовать полученные измерения для проверки моделей далёких миров.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
