17.07.2014 | Наука

Сжатый до рекордной плотности алмаз раскроет секреты гигантских планет

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.

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.

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.

По публикациям UkrNet