Диаграмма состояния углеводородов при высоких давлениях и температурах. На диаграмме показаны различные условия, необходимые для образования алмаза, а также избранные фазовые переходы (сплошные линии) и недра планет (пунктирные линии). Исследования с использованием статического сжатия (оранжевая область и красная область) наблюдают образование алмаза при более низких давлении и температуре, чем ударные эксперименты (синяя область), которые наблюдают его только в условиях, соответствующих тем, где водород является металлическим. Представленные здесь результаты подтверждают, что образование алмазов может происходить в условиях, встречающихся в неглубоких недрах Урана и Нептуна, в том числе при более низких оценках температурных условий. Также показаны условия образования алмаза в шоковом полиэтилентерефталате, (C10H8O4)n (зеленая область), кривая плавления алмаза и изэнтропа Юпитера. Фото: Природная астрономия (2024 г.). DOI: 10.1038/s41550-023-02147-x
Международная группа исследователей под руководством доктора Мунго Фроста из исследовательского центра SLAC в Калифорнии получила новое представление об образовании алмазного дождя на ледяных планетах, таких как Нептун и Уран, с помощью рентгеновского лазера European XFEL в Шенефельде. Результаты также дают ключ к пониманию формирования сложных магнитных полей этих планет.
В более ранних работах над рентгеновскими лазерами ученые обнаружили, что алмазы должны образовываться из углеродных соединений внутри больших газовых планет из-за преобладающего там высокого давления. Затем они опустились бы дальше в глубь планет в виде дождя драгоценных камней из более высоких слоев.
Новый эксперимент на европейском XFEL теперь показал, что образование алмазов из углеродных соединений уже начинается при более низких давлениях и температурах, чем предполагалось. Для газовых планет это означает, что алмазный дождь уже формируется на меньшей глубине, чем предполагалось, и, таким образом, может иметь более сильное влияние на формирование магнитных полей.
Кроме того, алмазный дождь возможен и на газовых планетах, которые меньше Нептуна и Урана и называются «мини-Нептунами». Таких планет не существует в нашей Солнечной системе, но они встречаются как экзопланеты за ее пределами.
Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.
На своем пути от внешних слоев планет к внутренним алмазный дождь может увлекать за собой газ и лед, вызывая токи проводящего льда. Токи проводящих жидкостей действуют как своеобразная динамо-машина, посредством которой формируются магнитные поля планет.
«Алмазный дождь, вероятно, оказывает влияние на формирование сложных магнитных полей Урана и Нептуна», — сказал Фрост.
В качестве источника углерода группа использовала пластиковую пленку, изготовленную из углеводородного соединения полистирола. Под очень высоким давлением из фольги образуются алмазы — процесс, происходящий так же, как и в недрах планет, и который можно продублировать на европейском XFEL.
Исследователи с помощью алмазных штампов и лазеров создали высокое давление и температуру более 2200 градусов по Цельсию, которые преобладают внутри ледяных газовых гигантов. Ячейки штампа действуют как мини-тиски, в которых образец зажимается между двумя алмазами. С помощью рентгеновских импульсов европейского XFEL можно точно наблюдать время, условия и последовательность образования алмазов в ячейке штампа.
В международную исследовательскую группу также входят ученые из европейского XFEL, немецких исследовательских центров DESY в Гамбурге и Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф, а также других исследовательских институтов и университетов из разных стран. Европейский консорциум пользователей XFEL HIBEF с участием исследовательских центров HZDR и DESY внес значительный вклад в эту работу.
«Благодаря этому международному сотрудничеству мы добились большого прогресса в европейском XFEL и получили замечательные новые знания о ледяных планетах», — говорит Фрост.
Информация от: европейским XFEL
