Алмазные дожди на Уране и Нептуне воссозданы в лаборатории

Физики из Рочестерского университета впервые смоделировали в лабораторных условиях экстремальные процессы, которые приводят к образованию алмазных осадков в недрах ледяных гигантов Солнечной системы. Оказалось, что твёрдый алмаз менее плотен, чем жидкий металлический углерод, и способен плавать на его поверхности, подобно льду в воде.

В недрах Урана и Нептуна происходят поистине фантастические метеорологические явления. На протяжении многих лет астрофизики выдвигали гипотезу о том, что при чудовищном давлении и температуре углерод переходит в особую форму и выпадает в виде дождя из драгоценных минералов. Однако до недавнего времени это предположение оставалось лишь теоретической моделью. Международной группе учёных под руководством исследователей из Рочестерского университета (США) удалось воспроизвести этот процесс в реальном эксперименте, результаты которого были опубликованы в престижном журнале Nature Physics.

Эксперимент проводился на базе крупного лазерного комплекса, способного генерировать импульсы колоссальной мощности. Исследователи направили мощный лазерный импульс на подготовленный образец алмаза, испарив его внешний слой. Это воздействие спровоцировало возникновение ударной волны, которая с колоссальной силой сжала внутреннюю структуру минерала. В результате давление в зоне эксперимента превысило показатели земного ядра в три раза, а температура достигла значений, сравнимых с поверхностью Солнца. Такое экстремальное состояние вещества удалось удержать в течение одной миллиардной доли секунды.

Для регистрации происходящих процессов и измерения параметров вещества физики применили сверхбыстрый метод рентгеновской дифракции. Полученные данные позволили разрешить давнюю научную проблему, которая оставалась нерешённой на протяжении последних двадцати лет. Ранее физические измерения температуры плавления алмаза демонстрировали значительное расхождение с квантовыми компьютерными моделями, достигающее 20%. Новая рентгеновская информация подтвердила, что реальная температура плавления полностью соответствует современным квантовым расчётам.

Одним из самых неожиданных открытий стало обнаружение необычного свойства материала. В условиях экстремального давления и температуры твёрдый алмаз оказался менее плотным, чем окружающая его жидкость из металлического углерода. Это означает, что в недрах ледяных гигантов алмаз может вести себя подобно льду в воде: он не тонет, а плавает на поверхности углеродного океана. Такое поведение кардинально меняет представления о внутренней динамике этих планет.

В масштабах планеты расплавленные капли алмаза, поднимаясь и опускаясь в океане жидкого углерода, создают мощные конвекционные потоки. Трение и тепло, выделяемые при движении этих капель, выступают в качестве основных источников избыточной энергии Нептуна, которую планета затем излучает в окружающее космическое пространство. Это открытие помогает объяснить аномально высокую светимость ледяных гигантов, которая до сих пор не находила полного объяснения в рамках существующих моделей.

Помимо фундаментального значения для планетологии, результаты исследования имеют важное практическое применение для энергетики будущего. Установки инерциального термоядерного синтеза используют алмазные капсулы в качестве мишеней для топлива. Эксперимент показал, что для инициации термоядерной реакции требуется значительно меньше энергии, чем считалось ранее. Более медленный и мягкий начальный удар обеспечивает оптимальное плавление капсулы, что открывает новые перспективы для повышения эффективности этого перспективного источника энергии.