Глубоко внутри Урана и Нептуна могут происходить процессы, которые совершенно не похожи на привычные земные явления. В недрах этих ледяных гигантов температура и давление настолько велики, что углерод, содержащийся в глубинном веществе планет, способен переходить в необычные состояния. Одним из наиболее интересных следствий таких условий считается образование алмазов, которые затем перемещаются в более глубокие слои планеты.
До сих пор эта картина основывалась главным образом на экспериментах при экстремальных давлениях и на компьютерных расчётах. При этом между теоретическими моделями и результатами лабораторных измерений существовало заметное расхождение: разные исследования давали существенно отличающиеся значения температуры плавления алмаза при огромном давлении.
Теперь физики провели новые эксперименты с ударным сжатием алмаза при давлениях порядка 1 терапаскаля. Наблюдения с использованием рентгеновской дифракции позволили непосредственно исследовать структуру вещества в условиях, которые существуют далеко за пределами привычного лабораторного диапазона. Полученные результаты согласуются с современными расчётами, основанными на квантовой физике, и одновременно уточняют условия, при которых алмаз перестаёт оставаться твёрдым.
Эксперимент имеет значение сразу для двух совершенно разных областей. С одной стороны, он даёт новые данные о веществе внутри Урана и Нептуна. С другой — помогает понять поведение алмазных капсул, которые используются в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу.
Что происходит с алмазом при экстремальном давлении
Обычный алмаз существует только в определённом диапазоне условий
Алмаз — одна из кристаллических форм углерода. Его чрезвычайная твёрдость связана с тем, как атомы углерода соединены между собой в кристаллической структуре.
Но даже алмаз не является неизменным материалом. При достаточно высоких температурах и давлениях его структура может измениться, а при достижении определённых условий кристалл начинает плавиться.
Проблема заключается в том, что определить точную границу плавления алмаза при сверхвысоких давлениях чрезвычайно сложно. Такие состояния невозможно поддерживать в обычной лабораторной установке в течение длительного времени. Их приходится создавать на очень короткие промежутки времени с помощью мощных импульсов энергии.
Именно поэтому экспериментальные данные о поведении углерода при таких давлениях долгое время оставались неполными.
Давление в новом эксперименте достигало около 1 терапаскаля
Исследователи подвергли небольшие образцы алмаза ударному сжатию. Давление достигало примерно 1 терапаскаля — величины, которая в три с лишним раза превышает давление в центре Земли.
Такое сравнение позволяет понять масштаб эксперимента. Даже в самых глубоких областях нашей планеты условия значительно мягче, чем те, которые исследовались в новой работе.
При этом экстремальное состояние вещества существовало лишь очень короткое время. Сжатый алмаз находился в нужном диапазоне давления и температуры порядка миллиардной доли секунды.
Для обычного наблюдения этого недостаточно, поэтому исследователям пришлось использовать приборы, способные регистрировать изменения вещества практически в реальном времени.
Как учёные заставили алмаз плавиться
Мощный лазер создал ударную волну
Эксперимент проводился на лазерной установке OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера.
Мощный лазерный импульс воздействовал на внешний слой экспериментальной мишени. Часть материала быстро испарялась, а возникающее при этом воздействие создавало ударную волну.
Эта волна распространялась внутрь алмазного образца и резко сжимала его.
Так исследователям удалось получить одновременно огромное давление и очень высокую температуру. В некоторых режимах температура достигала нескольких тысяч кельвинов, а давление приближалось к 1 терапаскалю.
Главное преимущество такого подхода состоит в том, что экстремальное состояние создаётся непосредственно внутри небольшого образца, а исследователи могут одновременно измерять его физические свойства.
Эксперимент длился миллиардную долю секунды
Создать давление порядка терапаскаля относительно легко только в том смысле, что мощный лазер может сделать это на чрезвычайно короткое время. Поддерживать такое состояние продолжительное время невозможно.
Поэтому эксперимент представлял собой гонку между распространением ударной волны и возможностью зарегистрировать происходящие изменения.
Исследователи использовали несколько независимых методов измерения. Они регистрировали скорость распространения ударной волны, температуру и оптические свойства сжатого вещества, а главное — структуру алмаза с помощью рентгеновской дифракции.
Именно сочетание этих методов позволило определить, сохраняет ли углерод кристаллическую структуру или уже перешёл в жидкое состояние.
Почему рентгеновская дифракция оказалась особенно важной
Она показывает структуру вещества на атомном уровне
Рентгеновская дифракция используется для определения внутреннего строения кристаллов. Рентгеновское излучение взаимодействует с атомами вещества, и характер возникающего дифракционного сигнала зависит от расположения атомов.
Если кристаллическая структура сохраняется, исследователи получают характерный дифракционный сигнал. Когда вещество переходит в жидкое состояние, упорядоченная структура исчезает, и характер измеряемого сигнала меняется.
Для нового эксперимента это было принципиально важно.
Предыдущие исследования уже позволяли оценивать температуру и другие параметры сжатого алмаза, однако непосредственное наблюдение его атомной структуры в процессе перехода к плавлению оставалось крайне сложной задачей.
Учёные впервые проследили структуру алмаза вплоть до плавления
Новые измерения позволили наблюдать рентгеновскую дифракцию ударно сжатого алмаза вплоть до момента плавления.
Это стало одним из ключевых результатов исследования. Экспериментальные данные показали, что структура алмаза сохраняется вплоть до давления около 1 терапаскаля.
Таким образом, результаты не подтвердили ранее высказанную гипотезу о том, что при таких давлениях алмаз должен переходить в другую кристаллическую фазу углерода, известную как BC8, до того как расплавиться.
Современные расчёты предсказывали, что BC8 может стать термодинамически устойчивой структурой углерода при давлениях выше примерно 1 терапаскаля. Однако новые экспериментальные данные показывают, что алмазная структура может сохраняться до этой области давлений.
Это важное уточнение для моделей поведения углерода при сверхвысоких давлениях.
Двадцатилетняя проблема с температурой плавления
Теория и эксперимент давали разные результаты
Исследователи изучают плавление алмаза при высоком давлении уже много лет. Однако между экспериментами и расчётами существовала существенная проблема.
Предыдущие измерения температуры плавления не совпадали с результатами расчётов, основанных на квантово-механических моделях вещества. Расхождение достигало примерно 20 процентов.
Для обычного бытового материала такая разница может показаться несущественной. Но при температурах и давлениях, характерных для подобных экспериментов, 20 процентов означают разницу более чем в тысячу градусов.
Из-за этого было трудно точно определить, при каких условиях алмаз действительно переходит в жидкое состояние.
Новые данные устранили основное расхождение
Новые эксперименты показали, что измеренная температура плавления соответствует современным теоретическим расчётам значительно лучше, чем предыдущие экспериментальные результаты.
Исследователи получили свидетельства ударного плавления при температуре около 7300 кельвинов, причём при повышении давления в исследованном диапазоне температура плавления немного снижалась.
Таким образом, новая работа позволила согласовать экспериментальные данные с современным представлением о поведении углерода при сверхвысоких давлениях.
Это не просто уточнение одного числа. Температура плавления является частью так называемой фазовой диаграммы вещества — описания того, какие состояния принимает материал при разных давлениях и температурах.
Чем точнее известна эта зависимость, тем надёжнее становятся модели вещества внутри планет и расчёты, связанные с высокоэнергетической физикой.
Что такое фазовая диаграмма углерода
У одного элемента может быть несколько состояний
Углерод способен существовать в нескольких формах. Самые известные на Земле — алмаз и графит.
Они состоят из одного и того же химического элемента, но атомы расположены в них по-разному. Поэтому физические свойства этих материалов сильно отличаются.
При обычных условиях алмаз является устойчивой формой углерода в определённом диапазоне параметров, но при изменении температуры и давления структура вещества может перестраиваться.
При экстремальных условиях появляются состояния, которые невозможно наблюдать в повседневной жизни.
Именно поэтому физика углерода при высоких давлениях интересует не только материаловедов. Такие условия встречаются внутри планет и в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу.
Давление в глубинах планет меняет поведение вещества
Чем глубже мы погружаемся внутрь массивного небесного тела, тем выше давление окружающего вещества.
Внутри Урана и Нептуна оно достигает значений, при которых привычные свойства земных материалов перестают быть достаточным ориентиром.
Поэтому для понимания недр ледяных гигантов приходится использовать лабораторные эксперименты, компьютерное моделирование и данные космических аппаратов вместе.
Новые эксперименты с алмазом позволяют проверить часть таких моделей непосредственно.
Откуда внутри Урана и Нептуна берутся алмазы
Ледяные гиганты отличаются от газовых гигантов
Уран и Нептун часто называют ледяными гигантами. Это не означает, что внутри них находятся огромные обычные ледяные блоки.
В планетологии термин «лёд» используется прежде всего для обозначения веществ, которые в Солнечной системе обычно встречаются в замёрзшем состоянии, например воды, аммиака и метана.
Внутри Урана и Нептуна температура и давление настолько высоки, что эти вещества находятся в совершенно необычных состояниях.
Значительная часть внутреннего вещества планет состоит из соединений, содержащих водород, кислород, углерод и другие элементы.
Метан является важным источником углерода
Метан содержит углерод и водород. При увеличении давления и температуры в глубинах планеты молекулы углеводородов могут разрушаться и перестраиваться.
Эксперименты уже показывали, что при условиях, близких к предполагаемым для внутренних областей ледяных гигантов, углерод может выделяться из углеводородных соединений и формировать алмазную структуру.
В 2017 году лабораторные исследования впервые позволили непосредственно наблюдать образование алмазов в условиях, моделирующих внутреннюю среду ледяных гигантов.
Это стало важным экспериментальным подтверждением идеи о возможном «алмазном дожде».
Что учёные называют «алмазным дождём»
Алмазы могут формироваться глубоко внутри планеты
Предполагаемый процесс начинается с углеродсодержащих соединений, находящихся глубоко внутри планеты.
Под действием огромного давления и высокой температуры углерод может отделяться от водорода и других элементов. При подходящих условиях атомы углерода образуют кристаллическую структуру алмаза.
Получившиеся кристаллы оказываются плотнее окружающего вещества в определённых слоях недр и могут перемещаться в сторону центра планеты.
Именно это движение и называют «алмазным дождём».
Термин, конечно, является образным. Никаких атмосферных облаков и капель дождя в привычном земном смысле внутри Урана или Нептуна нет. Речь идёт о перемещении кристаллов углерода через чрезвычайно плотную горячую среду.
Алмазы не обязательно остаются твёрдыми на всём пути
Здесь особенно важен новый эксперимент.
По мере продвижения вещества в более глубокие области одновременно меняются давление и температура. Поэтому состояние углерода может изменяться.
Новая работа показывает, при каких экстремальных условиях алмаз начинает плавиться. Это позволяет точнее определить, где в глубинах ледяного гиганта углерод способен существовать в твёрдом виде, а где должен переходить в жидкое состояние.
Следовательно, теперь модели внутреннего строения планет могут учитывать более точную границу между различными состояниями углерода.
Почему алмаз может «плавать» в жидком углероде
Твёрдый алмаз оказался менее плотным, чем жидкий углерод
Одним из наиболее интересных результатов эксперимента стало наблюдение, связанное с плотностью.
При исследованных экстремальных условиях твёрдый алмаз оказывается менее плотным, чем металлическая жидкая форма углерода.
Это означает, что твёрдая фаза может плавать на жидкой.
На Земле похожее явление хорошо знакомо по воде и льду. Лёд имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, поэтому кусочки льда находятся на поверхности воды.
Для углерода при таких огромных давлениях аналогичное соотношение плотностей стало неожиданным результатом.
Это может влиять на движение углерода внутри ледяных гигантов
Если в определённых слоях планеты твёрдый алмаз менее плотный, чем окружающая жидкая углеродная фаза, поведение углерода оказывается сложнее простой картины, в которой алмаз всегда падает всё глубже.
Движение вещества внутри планеты определяется не только гравитацией, но и плотностью различных фаз, температурой, давлением и свойствами окружающей среды.
Поэтому новые данные позволяют уточнить модели циркуляции вещества в недрах Урана и Нептуна.
При этом лабораторный эксперимент не является прямым наблюдением происходящего внутри конкретной планеты. Он определяет физические свойства углерода в условиях, которые используются затем в планетных моделях.
Как «алмазный дождь» может влиять на энергию Нептуна
Нептун излучает больше энергии, чем получает от Солнца
Нептун находится очень далеко от Солнца и получает значительно меньше солнечной энергии, чем Земля или Юпитер.
При этом планета излучает в космос больше энергии, чем получает от Солнца.
Одним из возможных источников этой дополнительной энергии является постепенное выделение внутреннего тепла.
Процессы, происходящие внутри планеты, могут способствовать переносу энергии из глубин к внешним слоям.
Движение углерода может участвовать в переносе энергии
Если углеродные кристаллы образуются в одних слоях и перемещаются в другие, происходит перераспределение вещества и энергии.
При движении через окружающую среду возникает трение, а также меняются условия вещества по мере его погружения.
Исследователи рассматривают этот процесс как один из механизмов, способных влиять на внутренний энергетический баланс Нептуна.
Однако важно не упрощать картину до утверждения, что весь избыток энергии планеты создаётся исключительно «алмазным дождём». Внутреннее тепловое состояние ледяных гигантов определяется совокупностью процессов.
Новые данные помогают точнее оценивать вклад углеродных фаз в эту сложную систему.
Связь с необычными магнитными полями Урана и Нептуна
Уран и Нептун имеют необычные магнитные поля, сильно отличающиеся от магнитного поля Земли и от относительно простых дипольных полей многих других планет.
Их магнитные поля значительно наклонены относительно осей вращения и смещены относительно центров планет.
Происхождение этих особенностей связано с процессами внутри планет. Поэтому свойства вещества в глубинах ледяных гигантов имеют значение не только для понимания их температуры и состава, но и для объяснения их магнитных характеристик.
Исследования высокотемпературных и высокобарических фаз воды, углеводородов и углерода помогают постепенно уточнять модели того, какие слои внутри Урана и Нептуна могут проводить электрический ток и участвовать в формировании магнитного поля.
Новые данные о поведении углерода являются ещё одним элементом этой общей картины.
Почему прежняя гипотеза о фазе BC8 оказалась важной
Компьютерные расчёты предсказывали другую структуру
Одной из особенностей новой работы стало изучение вопроса о возможном существовании фазы углерода BC8.
Теоретические расчёты предсказывают, что при давлениях около 1 терапаскаля эта структура может стать термодинамически устойчивой.
Некоторые предыдущие эксперименты также интерпретировались как свидетельство перехода алмаза в эту фазу.
Однако прямого подтверждения атомной структуры в таких экстремальных условиях не хватало.
Новая рентгеновская картина не подтверждает переход
Рентгеновские измерения нового эксперимента не обнаружили признаков перехода алмаза в BC8 до плавления.
Вместо этого данные показывают сохранение алмазной структуры вплоть до исследованной области давления.
Это не означает, что фаза BC8 вообще не существует. Речь идёт о том, что в условиях и на временах, исследованных в новом эксперименте, алмаз не продемонстрировал ожидаемого перехода в эту структуру.
Такое различие имеет принципиальное значение для физики сверхплотного углерода.
Почему одно и то же исследование заинтересовало специалистов по термоядерному синтезу
На первый взгляд связь между алмазом внутри Нептуна и термоядерным реактором отсутствует.
Однако алмаз используется не только как драгоценный камень. В экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу он применяется для изготовления крошечных капсул, внутри которых находится топливо для реакции.
Национальная установка зажигания NIF в США использует мощные лазерные импульсы для сжатия таких мишеней.
Лазер должен очень точно воздействовать на капсулу, чтобы топливо оказалось в нужных условиях для термоядерной реакции.
Поэтому физические свойства алмаза при огромных давлениях и температурах имеют непосредственное практическое значение.
Как алмазная капсула используется в термоядерном синтезе
Лазер сжимает топливо внутри капсулы
В инерциальном термоядерном синтезе топливо помещается внутрь небольшой капсулы.
Мощные лазеры воздействуют на внешнюю поверхность мишени, создавая условия для её быстрого сжатия.
Цель заключается в том, чтобы топливо оказалось настолько сжатым и горячим, чтобы началась реакция термоядерного синтеза.
Алмазная оболочка необходима для управления этим процессом. Её свойства влияют на то, насколько равномерно происходит имплозия.
Любые неоднородности или отклонения от расчётного режима могут ухудшить эффективность реакции.
Состояние алмаза в первые моменты имеет значение
Исследование показывает, что для начального этапа сжатия можно рассмотреть более мягкий и медленный ударный импульс, чем применявшийся в некоторых предыдущих экспериментах.
Согласно расчётам авторов, такой подход способен привести к полному плавлению алмазной капсулы при сохранении условий, благоприятных для дальнейшего сжатия топлива.
Если остальные механизмы потерь и нестабильностей удастся контролировать, расчёты показывают потенциальную возможность примерно втрое увеличить энергетический выход реакции для того же количества энергии лазера.
Это именно расчётный прогноз, а не уже достигнутый результат на действующей установке.
Что означает «утроить выход энергии»
Здесь важно различать несколько разных показателей.
Термоядерный эксперимент может дать больше энергии от реакции, чем содержится в топливе в определённом смысле измерения, но это ещё не означает, что вся установка производит больше энергии, чем потребляет.
NIF уже добивалась термоядерных реакций с энергетическим выходом, превышающим энергию лазера, непосредственно доставленную к мишени. Однако это не означает получение полноценной электростанции.
Между энергией, поступающей на мишень, и общей энергией, необходимой для работы всей лазерной установки, существует большая разница.
Поэтому прогнозируемое троекратное увеличение выхода реакции не означает, что термоядерная электростанция становится технически готовой.
Авторы исследования подчёркивают, что даже после такого улучшения остаётся значительный путь до так называемого инженерного безубыточного режима, при котором установка могла бы работать как практический источник электроэнергии.
Почему результат может быть важен для будущих лазерных установок
Если удастся повысить энергетический выход термоядерных реакций без пропорционального увеличения энергии лазера, это будет важным шагом для инерциального синтеза.
Новые данные о плавлении алмаза дают более точное понимание того, как ведёт себя материал капсулы при ударном сжатии.
Вместо того чтобы рассматривать алмаз только как оболочку мишени, исследователи получили возможность использовать его физические свойства более эффективно.
Однако практическое применение результата требует дополнительных экспериментов. Необходимо проверить, сохраняются ли преимущества более медленного начального импульса в полном процессе имплозии и удаётся ли одновременно контролировать другие источники нестабильности.
Поэтому говорить о готовом способе утроения энергии термоядерных установок пока преждевременно.
Один эксперимент помогает изучать и планеты, и синтез
В этом исследовании особенно интересна связь между двумя совершенно разными задачами.
Для планетологов важно знать, что происходит с углеродом при давлениях, превышающих земные в сотни раз. Эти данные нужны для понимания внутреннего строения ледяных гигантов.
Для специалистов по термоядерному синтезу важно знать, как алмазная оболочка ведёт себя при быстром сжатии и нагреве.
В обоих случаях речь идёт об одном и том же фундаментальном вопросе: как изменяется структура вещества при экстремальных давлениях и температурах.
Поэтому лабораторная установка способна одновременно воспроизводить физику, относящуюся к глубинам далёких планет, и условия, необходимые для исследования управляемого термоядерного синтеза.
Почему эксперименты на Земле необходимы для изучения Нептуна и Урана
К Урану и Нептуну отправлялись космические аппараты, однако непосредственное исследование их глубоких недр невозможно.
Даже космический аппарат, находящийся возле планеты, не может увидеть, что происходит на огромной глубине под её верхними слоями.
Поэтому учёным приходится использовать косвенные данные. Они измеряют массу, радиус, гравитационное поле, магнитное поле, состав атмосферы и другие характеристики планеты, а затем строят модели её внутреннего строения.
Чтобы эти модели были физически реалистичными, необходимо знать свойства веществ при соответствующих давлениях и температурах.
Именно для этого создаются лабораторные условия, которые в буквальном смысле невозможно найти на поверхности Земли естественным образом.
Что именно теперь стало известно о недрах ледяных гигантов
Новый эксперимент не сделал фотографию «алмазного дождя» внутри Нептуна и не доказал, что каждый кристалл углерода проходит одинаковый путь к центру планеты.
Его значение другое.
Исследователи получили экспериментальные данные о том, при каких экстремальных давлениях и температурах алмаз сохраняет кристаллическую структуру и при каких условиях начинает плавиться.
Эти данные можно включать в модели внутреннего строения Урана и Нептуна.
Благодаря этому расчёты движения углерода внутри планет становятся более физически обоснованными. Можно точнее определить области, где углерод способен существовать в твёрдом состоянии, а где он должен переходить в жидкое.
Кроме того, результаты дают новые ориентиры для изучения теплового баланса и динамики вещества внутри ледяных гигантов.
Что остаётся неизвестным
Несмотря на новые результаты, внутренняя структура Урана и Нептуна всё ещё далека от полного понимания.
Неизвестно множество деталей о распределении вещества по глубине, о характере конвекции, о взаимодействии воды, аммиака, метана и продуктов их преобразования при сверхвысоких давлениях.
Также остаются вопросы о том, насколько именно образование и движение углерода влияет на внутренний тепловой поток и магнитные поля планет.
Лабораторные эксперименты позволяют постепенно уменьшать неопределённость, но не могут заменить непосредственные измерения внутри планеты.
Поэтому для окончательной проверки моделей потребуются новые наблюдения самих ледяных гигантов.
Будущие эксперименты позволят зайти ещё дальше
Исследователи планируют использовать возможности более мощных лазерных установок для изучения поведения алмаза при ещё более сложных режимах воздействия.
Особый интерес представляет последовательное воздействие нескольких ударных волн. В реальных экспериментах по инерциальному синтезу мишень испытывает не одно простое сжатие, поэтому важно понимать, как структура алмаза реагирует на серию импульсов.
Дополнительные исследования должны также помочь определить границы устойчивости алмазной структуры и точнее описать переход вещества из твёрдого состояния в жидкое.
Такие данные будут полезны одновременно для физики материалов, планетологии и исследований термоядерного синтеза.
Алмазный дождь оказался частью гораздо более сложной физики
Представление о «дожде из алмазов» внутри Урана и Нептуна выглядит необычно, но за ним стоит вполне конкретная физика экстремального вещества. Углеродсодержащие соединения в глубинах ледяных гигантов могут при огромных давлениях и температурах перестраиваться, приводя к образованию алмазной структуры.
Новое исследование значительно уточняет один из важнейших элементов этой картины. Учёные экспериментально исследовали алмаз при давлениях около 1 терапаскаля и получили данные с помощью рентгеновской дифракции непосредственно в процессе ударного сжатия. Результаты показали, что алмазная структура сохраняется вплоть до этой области давлений, а признаки предполагаемого перехода в фазу BC8 до плавления обнаружены не были. Температура ударного плавления в исследованном диапазоне оказалась около 7300 кельвинов и немного снижалась с ростом давления.
Особенно важно, что новые измерения помогли разрешить давнее расхождение между экспериментами и квантово-механическими расчётами температуры плавления алмаза. Предыдущая разница достигала примерно 20 процентов, что соответствовало более чем тысяче градусов в абсолютном значении температуры. Теперь экспериментальные результаты согласуются с современными теоретическими моделями значительно лучше.
Для планетологии это означает более надёжные исходные данные для моделирования вещества внутри Урана и Нептуна. Для термоядерного синтеза результат имеет не менее интересное значение: расчёты показывают, что более медленный начальный удар по алмазной капсуле потенциально способен увеличить выход энергии реакции примерно втрое при условии контроля других механизмов, снижающих эффективность имплозии. При этом такой результат пока остаётся расчётным прогнозом и не означает появления готовой термоядерной электростанции.
Таким образом, эксперимент с крошечным образцом алмаза на Земле оказался связан сразу с двумя экстремальными областями науки. Он помогает понять, как ведёт себя углерод в недрах ледяных гигантов, и одновременно даёт новые сведения о материале, который используется в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу. Чем точнее учёные понимают свойства вещества при давлениях, сравнимых с условиями глубоко внутри планет, тем надёжнее становятся модели далёких миров и лабораторных термоядерных установок.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
