Сжатый до рекордной плотности алмаз раскроет секреты гигантских планет

Тщательно откалибровав приборы, учёные смогли сжать алмаз до плотности, вчетверо превышающей его естественную

Тщательно откалибровав приборы, учёные смогли сжать алмаз до плотности, вчетверо превышающей его естественную
(фото Philip Saltonstall/Lawrence Livermore National Laboratory).

Рекордно плотный алмаз был получен с помощью лазера

Рекордно плотный алмаз был получен с помощью лазера
(фото Matt Swisher).

В рамках эксперимента было воссоздано давление в ядре газового гиганта

В рамках эксперимента было воссоздано давление в ядре газового гиганта
(фото Lawrence Livermore National Laboratory).

Тщательно откалибровав приборы, учёные смогли сжать алмаз до плотности, вчетверо превышающей его естественную
Рекордно плотный алмаз был получен с помощью лазера
В рамках эксперимента было воссоздано давление в ядре газового гиганта

Известно, что алмаз является самой твёрдой формой углерода на Земле. В то же время он представляет собой наименее сжимаемый материал. Чтобы преодолеть этот предел, физики из Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии использовали для сжатия алмаза до плотности большей, чем у свинца мощный лазер. Этот эксперимент был проведён с целью разгадки тайн гигантских планет Галактики.

Крошечный синтетический образец обстреляли 176 лазерными лучами, создавая волны давления, которые постепенно привели к сжатию минерала до плотности, в четыре раза превышающей нормальную. Эта технология получила название "динамическое наклонное сжатие". О проведённом эксперименте учёные сообщили в статье, опубликованной в журнале Nature.

Операция, которая продлилась 20 наносекунд, подвергла алмаз давлению, эквивалентному пяти терапаскалям. Исследователи отмечают, что это в 50 миллионов раз выше, чем давление атмосферы у поверхности Земли, и в 14 раз выше, чем давление в её ядре.

Тщательно откалибровав приборы, учёные смогли сжать алмаз до плотности, вчетверо превышающей его естественную
(фото Philip Saltonstall/Lawrence Livermore National Laboratory).

Для проведения своего эксперимента физики использовали самый большой лазер в мире, которым располагает Ливерморская национальная лаборатория. Прибор предназначен для проведения экспериментов в области ядерного синтеза, поэтому он может сконцентрировать луч на площади в 1 квадратный миллиметр, спрятанной внутри десятиметровой алюминиевой сферы.

"Так как мы пытались воссоздать давление внутри газовых гигантов, максимальная температура эксперимента была ограничена. Мы должны были удерживать её на определённом уровне и сделали это путём тщательной калибровки скорости, с которой интенсивность лазерного луча изменяется во времени", — поясняет ведущий автор исследования доктор Рэй Смит (Ray Smith) из Ливерморской национальной лаборатории.

Данный эксперимент имитирует давление в ядре Сатурна. Создавая подобные эксперименты и изучая их протекание астрофизики надеются понять процессы, которые протекают в звёздах и гигантских планетах богатых углеродом, сформированных сильным гравитационным давлением. Исследование также направлено на изучение экзопланет, размеры которых зачастую превышают во много раз размеры крупнейшей планеты Солнечной системы — Юпитера.

"Мы не знаем, из чего состоят ядра Сатурна и Юпитера, но мы впервые получили возможность изучать материю, находящуюся в экстремальных состояниях, создаваемых планетами-гигантами. Наш эксперимент призван воссоздать условия в ядрах гигантских газовых планет — как в нашей Солнечной системе, так и за её пределами", — говорит Смит.

К примеру, Нептун, как показывают расчёты планетологов, содержит алмазы в своём ядре. Газ метан из его оболочки разлагается, а затем содержащийся в нём углерод прессуется под высоким давлением. Миссии, направленные на изучение экзопланет, показали, что нептуноподобные экзопланеты очень распространены в нашей Галактике, а значит, понять их природу теперь будет намного проще.

В рамках эксперимента было воссоздано давление в ядре газового гиганта
(фото Lawrence Livermore National Laboratory).

Все небесные тела, будь то планеты или звёзды, сформировались под воздействием мощных гравитационных сил, которые заставили атомы сжаться и сформировать материал большой плотности. Экстремальные давления в ядрах, по предположениям физиков, приводят к существенным изменениям свойств материи.

Теория предсказывает, что при таких экстремальных условиях должна иметь место серия фазовых переходов от одного состояния к другому. Однако эксперимент в лаборатории не выявил ничего подобного. Смит и его коллеги полагают, что эффект фазового перехода был сглажен какими-нибудь пока ещё неизученными процессами. В остальном же ход эксперимента был полностью согласован с теоретическими расчётами.

"Окончательное понимание условий и структуры Юпитера поможет нам разгадать многие загадки его формирования. Существует две модели зарождения газового гиганта. Первая предполагает, что Юпитер изначально был скалистым телом массой с 10 Земель, а затем начал накапливать водород и другие газы в свою атмосферу, после чего оброс газом и превратился в планету-гиганта. Другая модель, так называемая модель гигантской нестабильности, подразумевает, что газовые гиганты появились из-за нестабильной плотности, что привело к гравитационным колебаниям и в конечном итоге "слипанию" газообразного водорода. Фактически вторая модель предполагает отсутствие ядра", — рассказывает Смит.

Эксперимент ценен не только знаниями о формировании гигантских планет, но и возможностью получить новую информацию о зарождении звёзд. Астрофизики считают, что мегапланеты являются переходной фазой между планетой и звездой, где достигается давление в несколько петапаскалей. Пока что непонятно, можно ли будет воспроизвести эти условия в лаборатории, но шаг на пути к экспериментальному пониманию небесных тел уже сделан.

Более того, жизнь на Земле основана на углероде, а значит понимание различных свойств этого элемента, возможно, приведёт и к разгадке и величайшей тайны о происхождении живых организмов планеты.

Также по теме:
На Сатурне и Юпитере идут алмазные дожди
Космическое богатство: ученые нашли алмаз вдвое больше Земли
Астрономы открыли алмазную планету в пять раз больше Земли
Алмазы увеличили мощность лазеров
Мелкий алмаз поведал учёным о гигантских запасах воды в недрах нашей планеты