Ученые расплавили алмаз, чтобы смоделировать «алмазные дожди» на Нептуне и Уране

Эксперимент провели на лазерной установке «Омега» в Рочестерском университете. Мощным лазерным импульсом ученые ударили по алмазному образцу: его наружный слой мгновенно испарился, а внутрь прошла ударная волна. На миллиардную долю секунды алмаз оказался под давлением более чем втрое выше, чем в центре Земли, и при температуре выше, чем на поверхности Солнца.

В этот момент ученые следили за расположением атомов с помощью рентгеновского излучения. Так они увидели, как алмаз сохраняет кристаллическую структуру при нагреве, а затем начинает плавиться.

Температуру плавления алмаза при таком давлении пытались определить уже около 20 лет, но результаты экспериментов расходились с теоретическими расчетами более чем на 1000 градусов. На этот раз измерения совпали с современными моделями. Выяснилось также, что перед плавлением алмаз не перестраивается в другую кристаллическую форму.

По одной из гипотез, глубоко внутри Урана и Нептуна углерод под огромным давлением образует кристаллы алмаза. Они опускаются в более глубокие слои планеты — этот процесс и называют «алмазным дождем». Чем глубже, тем выше давление и температура, поэтому в какой-то момент алмаз должен начать плавиться. В лаборатории ученые определили, где проходит эта граница: при каких условиях кристалл еще остается твердым, а при каких превращается в жидкий углерод.

Все о Нептуне: есть ли жизнь, из чего состоит и сколько лететь до самой дальней от Солнца планеты

Кроме того, выяснилось еще одно свойство углерода при таком давлении: жидкий углерод оказывается плотнее твердого алмаза. То есть если кристалл алмаза окажется в слое жидкого углерода, он не станет тонуть дальше, а будет всплывать — как лед в воде.

Эксперимент, помимо всего прочего, имеет отношение к термоядерному синтезу. National Ignition Facility — это крупнейшая в США лазерная установка для экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу. В ней небольшую алмазную капсулу с термоядерным топливом обстреливают мощными лазерами. Алмазная оболочка быстро нагревается и сжимает топливо внутри до огромных температур и плотности, чтобы запустить реакции синтеза. До сих пор начальный лазерный импульс делали достаточно сильным, чтобы гарантированно расплавить алмазную оболочку.

Новые измерения температуры плавления показали, что такой сильный начальный удар, вероятно, не нужен. Алмаз можно полностью расплавить и более медленным и слабым импульсом. По расчетам авторов, если изменить таким образом режим сжатия капсулы, топливо внутри нее сможет выделить примерно втрое больше термоядерной энергии.

Иллюстрация James Wickboldt/LLNL