Дождь из алмазов

«Солнечная система ещё более потрясающе ненормальна, чем вы думали», – писали американские газеты: на Уране и Нептуне учёные прогнозируют ливни из твёрдых алмазов.

Уран и Нептун – два ледяных гиганта, которые приобретают ярко выраженный голубой цвет из-за метановых атмосфер. Хотя обе планеты в основном состоят из жидкостей и газов, их ядра каменные. С точки зрения погоды, с этими ледяными гигантами связаны сильные ветры, и «Вояджер-2» однажды отследил шторм на Нептуне, который был достаточно большим, чтобы вместить всю Землю, по данным НАСА.

В 1981 г. Мартин Росс написал статью под названием «Слой льда на Уране и Нептуне – алмазы в небе?» В ней он предположил, что во внутренних частях этих планет могут быть обнаружены огромные количества алмазов. Он проанализировал данные ударно-волнового сжатия метана (CH4) и обнаружил, что экстремальное давление отделило атом углерода от водорода, высвободив его для образования алмаза.

Теоретическое моделирование Сандро Скандоло и других предсказало, что алмазы будут образовываться при давлении более 300 гигапаскалей (ГПа), но даже при более низких давлениях метан будет разрушаться и образовывать цепочки углеводородов. Эксперименты под высоким давлением в Калифорнийском университете в Беркли с использованием ячейки с алмазной наковальней обнаружили оба явления всего при 50 ГПа и температуре 2500 градусов по Кельвину (1° К = − 273,15° C), что эквивалентно глубине в 7000 км ниже вершин облаков Нептуна. Другой эксперимент в Геофизической лаборатории показал, что метан становится нестабильным всего при 7 ГПа и 2000 градусов по Кельвину. После образования более плотные алмазы тонут. Этот «алмазный дождь» преобразует потенциальную энергию в тепло и помогает вызвать конвекцию, которая генерирует магнитное поле Нептуна.

Существуют некоторые неопределённости в том, насколько хорошо результаты экспериментов применимы к Урану и Нептуну. Вода и водород, смешанные с метаном, могут изменять химические реакции. Физик из Института Фрица Габера в Берлине показал, что углерод на этих планетах недостаточно концентрирован для образования алмазов с нуля. Предположение о том, что алмазы также могут образовываться на Юпитере и Сатурне, где концентрация углерода намного ниже, считалось маловероятным, поскольку алмазы быстро растворились бы.

Эксперименты по превращению метана в алмазы обнаружили слабые сигналы и не достигли температур и давлений, ожидаемых на Уране и Нептуне.

***

Учёные выдвинули гипотезу, что условия высокого давления на Уране и Нептуне могут сжимать водород и углерод вместе, создавая алмазный дождь. Впервые в ходе эксперимента удалось напрямую измерить образование алмазов, согласно новому исследованию.

Драгоценные камни образуются в богатых углеводородами океанах слякоти, которые покрывают твёрдые ядра газовых гигантов.

Учёные давно предполагали, что экстремальное давление в этом регионе может расщепить эти молекулы на атомы водорода и углерода, последние из которых затем кристаллизуются, образуя алмазы. Считалось, что эти алмазы подобно дождю оседают в океане, пока не попадают в твёрдое ядро.

Но никто не мог доказать, что это действительно сработает – до сих пор. В исследовании, опубликованном в августе 2017 г. в журнале Nature Astrophysics, исследователи говорят, что им удалось создать этот «алмазный дождь» с помощью необычного пластика и мощных лазеров.

Исследователи создали ударные волны в пластике с помощью источника когерентного света Linac, первого в мире рентгеновского лазера на свободных электронах в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Стэнфордского университета. Команда из 15 человек провела пять дней под землёй в замкнутом пространстве. Конечный результат: атомы углерода пластика образовали небольшие алмазные структуры, называемые наноалмазами, когда две ударные волны наложились друг на друга.

Наноалмазы обычно образуются в результате столкновений, таких как взрывы, и их размер составляет чуть менее миллионной доли метра.

Ведущий автор исследования Доминик Краус, физик из исследовательского центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф в Германии, ожидал увидеть крошечные намёки в данных, а не реальные результаты. Его сотрудники предупредили, что они могут вообще не наблюдать образования алмазов. В конце концов, эксперименты других учёных не смогли воссоздать это явление в лаборатории. Но всего через несколько минут после начала эксперимента Краусу стало «невероятно ясно», что он добился успеха.

«Было очень удивительно, что мы получаем такую чёткую подпись алмаза и что алмазы формируются так быстро», – написал Краус в электронном письме. «Безусловно, это один из лучших моментов в моей научной карьере».

На Нептуне и Уране эти алмазы были бы намного крупнее: думаю, миллионы карат по весу. Но как бы выглядел алмазный дождь?

«Это будут в буквальном смысле твёрдые, вероятно, сферические необработанные алмазы, которые продолжают расти, падая вниз, к ядрам Нептуна и Урана», – написал Краус. «Однако алмазы не выпадают быстро в газовой атмосфере, как дождь на Земле, а тонут в очень плотной и горячей жидкости, которая образует гигантские ‘ледяные’ слои внутри этих планет».

Будучи не в состоянии проникнуть в скалистое ядро, алмазы образовали бы вокруг него слой. Краус считает, что это может помочь учёным понять таинственный источник тепла на Нептуне, который пока необъясним: причиной может быть гравитационная энергия алмазных осадков, преобразующаяся в тепло по мере погружения. При химической реакции, вызывающей алмазный дождь выделяется водород.

Учёные пытались сделать это раньше – кто бы не хотел, чтобы из Урана посыпались драгоценные камни? Но они столкнулись с проблемами, имитирующими невероятное давление вблизи газовых ядер планеты. Масса Нептуна и Урана в 17 и 15 раз больше массы Земли соответственно, и их океаны раздавливаются давлением, в миллионы раз превышающим давление воздуха на уровне моря Земли.

Чтобы соответствовать этой абсурдной интенсивности, Краус и его коллеги использовали два типа лазеров – оптический и рентгеновский – для создания ударных волн. Затем эти волны проходили через блок полистирола – разновидности пластика, состоящего из водорода и углерода, точно так же, как океаны Урана и Нептуна.

«Первая меньшая и более медленная волна сменяется другой, более сильной, второй волной», – объяснил Краус в пресс-релизе. Комбинация двух волн сжала пластик до 150 гигапаскалей – больше, чем существует в нижней части земной мантии, – и нагрела его более чем до 8500 ° C. В этот момент начали формироваться алмазы.

Процесс длился всего долю секунды, и алмазы были не больше нанометра в длину. Но Краус и его коллеги считают, что алмазы, которые образуются на Уране и Нептуне, вероятно, крупнее и долговечнее.

«На планете есть годы, миллионы лет и широкий спектр условий, при которых это действительно может произойти», – сказал The Guardian соавтор Дирк Герике из Уорикского университета.

Результаты будут полезны не только для понимания внешних газовых гигантов, но и для улучшения процесса изготовления алмазов. Большинство выращенных в лабораторных условиях камней производятся методом дробеструйной обработки. Но Краус и Герике предполагают, что использование лазеров может сделать производство более чистым и простым. Затем эти камни можно использовать для производства полупроводников, буровых долот и солнечных панелей, не говоря уже об инструментах, имитирующих условия внутри тех самых газовых планет, которые вдохновили на это исследование.

Тот факт, что исследователи смогли создавать наноалмазы из пластика в лаборатории, а не путём взрывов, открывает возможности для их производства. Наноалмазы используются для получения медицинской визуализации, доставки лекарств и в электронике.

«Высокоэнергетические лазеры могут обеспечить более элегантный и контролируемый метод, а также альтернативу ‘детонационным наноалмазам’, которые могут быть более чистыми», – сказал Краус. «Это ещё предстоит продемонстрировать, но мы работаем над этим».

Учитывая, что НАСА рассматривает потенциальные миссии к Урану и Нептуну, алмазный дождь может быть в списке пожеланий для изучения и наблюдения.

Алмазы на Юпитере и Сатурне

В июле 2020 г. мировая пресса сообщила о новом исследовании, согласно которому на Юпитер и Сатурн, по-видимому, сыплются алмазы. Это астрономическое открытие было представлено исследователями из Университета Висконсин-Мэдисон и Лаборатории реактивного движения НАСА на ежегодном собрании Отдела планетарных наук Американского астрономического общества в Денвере. По словам доктора Бейнса, образование алмазов, скорее всего, происходит в верхних слоях атмосферы. Как только алмазы попадают на экстремальную глубину, огромное давление и температура становятся настолько высокими, что трудно понять, что на самом деле происходит с углеродом внизу и остаётся ли он твёрдым.

Шестая планета Солнечной системы состоит из огромной газовой массы, а условия окружающей среды и химический состав на ней настолько отличаются от планеты Земля, что дождь состоит не из воды, а из алмазов. Учёные полагают, что ежегодно в его атмосфере образуется около 10 млн тонн этих камней.

Это явление происходит благодаря сочетанию газообразного метана (CH4) с штормовой активностью. Грозы на Сатурне имеют чрезвычайно высокие температуры, в 10.000 раз мощнее земных, и они разрушают связи молекул, разделяя атомы водорода с одной стороны и углерода с другой.

Атомы углерода соединяются вместе, создавая более крупные молекулы, которые образуют соединение, подобное саже. Это чёрное облако, вырывающееся из выхлопных газов автомобиля, далеко не похоже на алмаз. Новая молекула относительно тяжёлая и, притягиваемая гравитацией планеты, начинает опускаться вниз. Чем больше его выпадает, тем выше температура и давление, которым он подвергается.

Именно эти условия преобразуют углерод: сначала он превращается в графит – тот же материал, что и в карандаше, – а затем в алмазы, которые продолжают падать вглубь планеты. Говорят, что самые крупные алмазы, образующиеся на планетах, достигают сантиметра в диаметре. Таким образом, они достаточно велики, чтобы их можно было вставлять в обручальные кольца и другие украшения с бриллиантами, как шутят американские газеты.

Короче говоря, грозы превращают метан в сажу, которая при падении затвердевает в куски графита, а затем в алмазы. Алмазы, по-видимому, падают подобно градинам и плавятся в горячих ядрах планет.

Вопросов о том, что происходит на Сатурне, больше, чем ответов. Могут ли там существовать гигантские алмазы? Пока неизвестно, но эксперты полагают, что вместо крупных кусков алмаза с большей вероятностью будут обнаружены более крупные конденсированные алмазные облака. Более того, если бы там были алмазы, они находились бы в глубинах планеты, где температура превышает 3000° C, а давление в миллион раз превышает давление на поверхности Земли.

Это поднимает фундаментальный вопрос о возможности добычи алмазов в космосе. Можно ли создать робота-горняка, способного выдержать такие температуры и давления? Парадоксально, но только робот-алмазоносец мог бы выдержать это.

***

На американском ТВ-канале CNBC в июне 2017 г. программа «Путеводитель по неприлично богатым» обсуждала добычу полезных ископаемых в космосе. Так, миллиардеры готовились добывать на Луне дорогой гелий-3, который, по данным НАСА, редко встречается на Земле.

Околоземные астероиды содержат залежи железа стоимостью около $11 квадриллионов (это $11.000.000.000.000.000). Это более чем в 730.000 раз превышает чистый капитал крупнейшего железорудного магната Земли, австралийки Джины Райнхарт, которая заработала около $14 млрд.

Сможем ли мы получить доступ к алмазам в космосе? Теоретически это, безусловно, возможно, и есть много компаний, которые уже выделяют ресурсы на создание оборудования и технологий, необходимых для разработки астероидов в пределах нашей Солнечной системы просто для поиска алмазов и других драгоценных металлов и материалов. Некоторые набрались смелости заявить, что мы сделаем это в течение следующего десятилетия.

Однако не все настолько оптимистичны. Многие учёные ставят под сомнение возможность прибыльной добычи на астероидах. Одной миссии НАСА удалось вернуть 60 граммов астероида на Землю для научного изучения, но это обошлось в $1 млрд.

Итак, добыча полезных ископаемых в космосе может быть возможна в будущем, но вряд ли она будет прибыльной для грядущих поколений.

Но самым невероятным потенциальным космическим богатством может быть «алмазная планета», более техническое название которой – 55 Cancri e. Эта экзопланета в два раза больше Земли и, возможно, на треть состоит из алмазов. Согласно этой ТВ-программе, этот алмазный тайник может стоить $26 nonillion (это 30 нулей).

Мстислав Князев.

Первопубликация: Нью-Йорк.

Это первая часть статьи. Вторая часть — о белых карликах.

https://fantlab.ru/blogarticle90674

Мстислав Князев: АЛМАЗЫ В КОСМОСЕ: БЕЛЫЕ КАРЛИКИ