|
Алмазный дождь обычное явление на ледяных планетах
|
|
|
|
Новое исследование показало, что «алмазный дождь», давно предполагаемый экзотический тип осадков на ледяных планетах-гигантах, может быть более распространенным явлением, чем считалось ранее. В более раннем эксперименте исследователи имитировали экстремальные температуры и давления, обнаруженные глубоко внутри ледяных гигантов Нептуна и Урана, и впервые наблюдали алмазный дождь по мере его образования. Исследуя этот процесс в новом материале, который больше напоминает химический состав Нептуна и Урана, ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и их коллеги обнаружили, что присутствие кислорода делает образование алмазов более вероятным, позволяя им формироваться и расти. в более широком диапазоне условий и на большем количестве планет.
|
|
|
|
Новое исследование дает более полную картину того, как образуются алмазные дожди на других планетах, и здесь, на Земле, может привести к новому способу изготовления наноалмазов, которые имеют очень широкий спектр применений в доставке лекарств, медицинских датчиках, неинвазивной хирургии, устойчивое производство и квантовая электроника. «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 различными чистыми материалами. Но внутри планет все гораздо сложнее, в смеси гораздо больше химических веществ. влияние, которое оказывают эти дополнительные химические вещества». Команда, возглавляемая Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и Ростокским университетом в Германии, а также Французской политехнической школой в сотрудничестве с SLAC, опубликовала результаты сегодня в журнале Science Advances.
|
|
|
В предыдущем эксперименте исследователи изучали пластиковый материал, сделанный из смеси водорода и углерода, ключевых компонентов общего химического состава Нептуна и Урана. Но кроме углерода и водорода ледяные гиганты содержат и другие элементы, например большое количество кислорода. В более позднем эксперименте исследователи использовали ПЭТ-пластик, который часто используется в пищевой упаковке, пластиковых бутылках и контейнерах, чтобы более точно воспроизвести состав этих планет. «ПЭТ имеет хороший баланс между углеродом, водородом и кислородом для имитации активности ледяных планет», — сказал Доминик Краус, физик из HZDR и профессор Ростокского университета. Исследователи использовали мощный оптический лазер в приборе Matter in Extreme Conditions (MEC) в источнике когерентного света Linac (LCLS) SLAC для создания ударных волн в ПЭТ. Затем они исследовали, что произошло в пластике, с помощью импульсов рентгеновского излучения от LCLS.
|
|
|
|
Используя метод, называемый рентгеновской дифракцией, они наблюдали, как атомы материала перестраиваются в небольшие алмазные области. Одновременно они использовали другой метод, называемый малоугловым рассеянием, который не использовался в первой статье, чтобы измерить, насколько быстро и насколько велики эти области. Используя этот дополнительный метод, они смогли определить, что эти алмазные области выросли до нескольких нанометров в ширину. Они обнаружили, что при наличии кислорода в материале наноалмазы могут расти при более низких давлениях и температурах, чем наблюдались ранее. «Эффект кислорода заключался в ускорении расщепления углерода и водорода и, таким образом, стимулировании образования наноалмазов», — сказал Краус. «Это означало, что атомы углерода могли легче соединяться и образовывать алмазы».
|
|
|
|
Исследователи предсказывают, что алмазы на Нептуне и Уране станут намного больше, чем наноалмазы, полученные в этих экспериментах, — возможно, весят миллионы каратов. В течение тысячелетий алмазы могут медленно погружаться сквозь ледяные слои планет и собираться в толстый слой побрякушек вокруг твердого планетарного ядра. Команда также нашла доказательства того, что в сочетании с алмазами может образовываться суперионная вода. Эта недавно обнаруженная фаза воды, часто описываемая как «горячий черный лед», существует при чрезвычайно высоких температурах и давлениях. В этих экстремальных условиях молекулы воды распадаются, а атомы кислорода образуют кристаллическую решетку, в которой свободно плавают ядра водорода. Поскольку эти свободно плавающие ядра электрически заряжены, суперионная вода может проводить электрический ток и может объяснить необычные магнитные поля на Уране и Нептуне.
|
|
|
|
Результаты могут также повлиять на наше понимание планет в далеких галактиках, поскольку теперь ученые считают, что ледяные гиганты являются наиболее распространенной формой планет за пределами нашей Солнечной системы. «Мы знаем, что ядро Земли преимущественно состоит из железа, но многие эксперименты все еще исследуют, как присутствие более легких элементов может изменить условия плавления и фазовых переходов», — сказала ученый и сотрудник SLAC Сильвия Пандольфи. «Наш эксперимент демонстрирует, как эти элементы могут изменить условия, в которых формируются алмазы на ледяных гигантах. Если мы хотим точно смоделировать планеты, нам нужно максимально приблизиться к реальному составу недр планеты». Исследование также указывает на потенциальный путь вперед для производства наноалмазов с помощью лазерного ударного сжатия дешевых ПЭТ-пластиков. Хотя эти крошечные драгоценные камни уже включены в состав абразивов и полирующих средств, в будущем они потенциально могут быть использованы для квантовых датчиков, медицинских контрастных веществ и ускорителей реакций для возобновляемых источников энергии.
|
|
|
|
«Способ производства наноалмазов в настоящее время заключается в том, чтобы взять сгусток углерода или алмаза и взорвать его взрывчаткой», — сказал ученый и сотрудник SLAC Бенджамин Офори-Окаи. «Это создает наноалмазы различных размеров и форм, и их трудно контролировать. В этом эксперименте мы наблюдаем различную реакционную способность одних и тех же частиц при высокой температуре и давлении. В некоторых случаях кажется, что алмазы формируются быстрее, чем другие. , что говорит о том, что присутствие этих других химических веществ может ускорить этот процесс. Лазерное производство могло бы предложить более чистый и легко контролируемый метод производства наноалмазов. Если мы сможем разработать способы изменения некоторых вещей, связанных с реакционной способностью, мы сможем изменить то, как быстро они форме и, следовательно, насколько большими они становятся».
|
|
|
|
Затем исследователи планируют аналогичные эксперименты с использованием жидких образцов, содержащих этанол, воду и аммиак, из которых в основном состоят Уран и Нептун, что еще больше приблизит их к пониманию того, как именно образуются алмазные дожди на других планетах. «Тот факт, что мы можем воссоздать эти экстремальные условия, чтобы увидеть, как эти процессы протекают в очень быстрых и очень малых масштабах, впечатляет», — сказал ученый и сотрудник SLAC Николас Хартли. «Добавление кислорода как никогда приближает нас к тому, чтобы увидеть полную картину этих планетарных процессов, но еще многое предстоит сделать. Это шаг на пути к получению наиболее реалистичной смеси и пониманию того, как эти материалы действительно ведут себя на других планетах. "
|
|
|
|
Источник
|
