Настоящая фантастика. Ученые доказали, что на Уране и Нептуне идут алмазные дожди

Правда, происходит это не на поверхности планет. Хотя и это описание не совсем точно, поскольку у ледяных газовых гигантов попросту нет твердой поверхности. И мантия, в которой и проистекает явление, получившее название «алмазный дождь», не имеет четкой границы с атмосферой, состоящей из таких газов как метан, водород и гелий.

Чем уникальны Уран и Нептун?

Тут стоит коротко пояснить, что такое ледяные гиганты и чем они отличаются от газовых. Тогда станет понятнее, что именно выяснили исследователи.

Итак, газовые гиганты Юпитер и Сатурн состоят преимущественно из водорода и гелия.

В противоположность им Уран и Нептун состоят из воды, аммиака и метана. Астрономы чаще всего называют эти элементы"льдами", хотя для этого нет прямого логического обоснования. Разве что когда-то в начале формирования этих планет, эти элементы могли какое-то время пребывать в твердой форме.

Сейчас же основной объем этих планет составляют газы, и лишь где-то глубоко под ними находят твердые ядра, окруженные элементами, сжатыми до экзотических квантовых состояний.

Но это — лишь предположение. На самом деле, мы почти ничего не знаем о том, что находится внутри ледяных гигантов. Если к Юпитеру и Сатурну мы уже отправили несколько исследовательских миссий, то Уран и Нептун мы наблюдаем преимущественно в телескопы.

Так как же нам узнать, что творится на ледяных гигантах?

Пытаясь понять, что может происходить внутри Урана и Нептуна, ученые вынуждены задействовать лабораторные эксперименты, имитирующие условия, которые могут существовать на ледяных гигантах, поясняет американский астрофизик Пол Суттер в своей статье для портала Space.com.

Также на помощь ученым приходит старая добрая математика. С помощью математического моделирования астрономы пытаются понять, как интерпретировать те скудные данные о ледяных гигантах, что мы имеем.

Именно математическое моделирование в совокупности с лабораторными экспериментами позволили нам подтвердить одну из самых смелых догадок об Уране и Нептуне.

Откуда взялась идея о дождях из алмазов?

Сейчас уже сложно найти того ученого, который первым высказал идею о том, что на Уране и Нептуне могут идти алмазные дожди.

Однако, судя по ряду научных публикаций, это случилось даже раньше, чем мимо двух ледяных гигантов пролетел зонд Voyager 2 в 1977-м году (самый близкий контакт, который на текущий момент был у нас с Ураном и Нептуном).

Логика ученых была довольно проста.

Нам известно, из каких элементов состоят Уран и Нептун. Нам также известно, что чем ближе к ядру планеты они располагаются, тем плотнее и горячее они становятся, поясняет Суттер.

В таких условиях элементы, преобладающие на ледяных гигантах, могут переживать определенные трансформации, которые приводят к формированию вещества, которое земной наблюдатель, скорее всего, проассоциировал бы с алмазами.

И этому есть рациональное объяснение.

Откуда на ледяных гигантах могут взяться алмазы?

Математическое моделирование показывает, что эта гипотеза вполне оправдана.

Внутренние участки мантии Урана и Нептуна могут быть разогреты до температуры 6727 градусов Цельсия. Давление там превышает давление в земной атмосфере примерно в 6 млн раз.

Согласно моделям, во внешних слоях мантии температура ощутимо ниже, но все равно весьма высока по земным меркам — около 1727 градусов Цельсия. А давление здесь примерно в 200 тыс раз больше, чем в атмосфере Земли.

Ученые задались вопросом, а что происходит с тремя ключевыми элементами, которые преобладают на Уране и Нептуне — водой, аммиаком и метаном, в таких условиях?

Здесь на помощь приходят лабораторные эксперименты, которые дают практические результаты.

Например, мы точно знаем, что молекулы метана под мощным давлением разрушаются, высвобождая углерод. Молекулы углерода объединяются, формируя длинные цепочки. А те, в свою очередь, сжимаются под давлением, образуя кристаллические структуры, подобные тем, что можно увидеть в земных алмазах.

Эта гипотеза была проверена рядом успешных лабораторных экспериментов, в ходе которых ученые использовали полистирол, из которого под давлением «выжимали» алмазы наноразмеров, объясняет Суттер.

Для начала полистирол нагрели и сжали до степени, которая соответствует условиям на глубине 10 тыс. км ниже атмосферы Нептуна.

Затем импульсы оптического лазера нагрели полистирол до температуры 4700 градусов Цельсия. В связи с этим давление возросло еще больше.

Затем ученые подвергли электроны полистирола рентгеновскому анализу. Это позволило наблюдать за превращением углерода в алмаз и выделением водорода.

Больших успехов добиться не удалось, поскольку современные лабораторные лазеры способны лишь на краткосрочные импульсы, имитирующие высокое давление. В мантии ледяных гигантов такие условия сохраняются на протяжении миллиардов лет.

Плотные алмазные структуры становятся тяжелее окружающей среды и постепенно проваливаются сквозь верхние слои мантии. Погружаясь все глубже и глубже в нижние слои мантии, где температура возрастает, эти структуры нагреваются и разделяются. Фактически, молекулы углерода «испаряются» из нижних слоев мантии и поднимаются назад в верхние слои. Где цикл начинается опять.

Все происходящее весьма напоминает круговорот воды в земной природе. Отсюда и термин «алмазный дождь».

Основываясь на математическом моделировании и лабораторных экспериментах, мы можем утверждать, что алмазные дожди на ледяных гигантах весьма реальны, заключает Пол Суттер.

Больше того, данное открытие может помочь разгадать одну из главных загадок, связанных, в частности, с Нептуном.

Этот ледяной гигант нагрет гораздо сильнее, чем должен быть. Согласно некоторым подсчетам, Нептун «отдает» в космос примерно в 2−2,5 раза больше тепла, чем поглощает от Солнца. И объяснить этот феномен до сих пор не удавалось.

Однако, алмазные дожди могут послужить объяснением. Ведь «круговорот», который мы назвали алмазными дождями, вполне может иметь столь масштабный характер, чтобы приводить к высвобождению дополнительной гравитационной энергии. И трение плотных алмазных структур, проходящих через мантию, может производить дополнительное тепло. Которое и приводит к таинственному нагреву Нептуна.