Справжня фантастика. Учені довели, що на Урані та Нептуні йдуть алмазні дощі

Щоправда, відбувається це не на поверхні планет. Хоча і цей опис не зовсім точний, оскільки крижані газові гіганти просто не мають твердої поверхні. І мантія, у якій і відбувається явище, що отримало назву «алмазний дощ», не має чіткої межі з атмосферою, що складається з таких газів, як метан, водень і гелій.

Чим унікальні Уран і Нептун?

Тут варто стисло пояснити, що таке крижані гіганти і чим вони відрізняються від газових. Тоді стане зрозумілішим, що саме з’ясували дослідники.

Отже, газові гіганти Юпітер і Сатурн складаються переважно з водню та гелію.

На противагу їм Уран і Нептун складаються з води, аміаку та метану. Астрономи найчастіше називають ці елементи «льодами», хоча для цього немає прямого логічного обґрунтування. Хіба що колись на початку формування цих планет ці елементи могли якийсь час перебувати у твердій формі.

Зараз же основний об'єм цих планет складають гази, і лише десь глибоко під ними знаходять тверді ядра, оточені елементами, стиснутими до квантових екзотичних станів.

Але це лише припущення. Насправді ми майже нічого не знаємо про те, що міститься всередині крижаних гігантів. Якщо до Юпітера та Сатурна ми вже відправили кілька дослідницьких місій, то Уран і Нептун ми спостерігаємо переважно у телескопи.

Тож як нам дізнатися, що діється на крижаних гігантах?

Намагаючись зрозуміти, що може відбуватися всередині Урана й Нептуна, учені змушені задіяти лабораторні експерименти, що імітують умови, які можуть існувати на крижаних гігантах, пояснює американський астрофізик Пол Суттер у статті для порталу Space.com.

Також на допомогу вченим приходить стара добра математика. За допомогою математичного моделювання астрономи намагаються зрозуміти, як інтерпретувати ті мізерні дані про крижані гіганти, що ми маємо.

Саме математичне моделювання в сукупності з лабораторними експериментами дозволили нам підтвердити один із найсміливіших здогадів про Уран і Нептун.

Звідки взялася ідея про дощі з алмазів?

Наразі вже складно знайти того вченого, який першим висловив ідею про те, що на Урані та Нептуні можуть іти алмазні дощі.

Однак, судячи з низки наукових публікацій, це трапилося навіть раніше, ніж повз два крижані гіганти пролетів зонд Voyager 2 у 1977-му році (найближчий контакт, який натепер був у нас з Ураном і Нептуном).

Логіка вчених була досить простою.

Нам відомо, з яких елементів складаються Уран і Нептун. Нам також відомо, що чим ближче до ядра планети вони розташовані, тим щільнішими й гарячішими стають, пояснює Суттер.

У таких умовах елементи, що переважають на крижаних гігантах, можуть переживати певні трансформації, що призводять до формування речовини, яку земний спостерігач, швидше за все, проасоціював би з алмазами.

І на це є раціональне пояснення.

Звідки на крижаних гігантах можуть узятися алмази?

Математичне моделювання показує, що ця гіпотеза цілком виправдана.

Внутрішні ділянки мантії Урана та Нептуна можуть бути розігріті до температури 6727 градусів за Цельсієм. Тиск там перевищує тиск у земній атмосфері приблизно в 6 млн разів.

Згідно з моделями, у зовнішніх шарах мантії температура відчутно нижча, проте дуже висока за земними мірками — десь 1727 градусів за Цельсієм. А тиск тут приблизно у 200 тис. разів більший, ніж в атмосфері Землі.

Учені поцікавилися, а що відбувається з трьома ключовими елементами, які переважають на Урані та Нептуні — водою, аміаком і метаном — за таких умов?

Тут на допомогу приходять лабораторні експерименти, що дають практичні результати.

Наприклад, ми точно знаємо, що молекули метану під сильним тиском руйнуються, вивільняючи вуглець. Молекули вуглецю поєднуються, формуючи довгі ланцюжки. А ті, своєю чергою, стискаються під тиском, утворюючи кристалічні структури, подібні до тих, що можна побачити в земних алмазах.

Ця гіпотеза була перевірена низкою успішних лабораторних експериментів, у ході яких учені використовували полістирол, з якого під тиском «витискали» алмази нанорозмірів, пояснює Суттер.

Для початку полістирол нагріли і стиснули до ступеня, який відповідає умовам на глибині 10 тис. км нижче за атмосферу Нептуна.

Потім імпульси оптичного лазера нагріли полістирол до температури 4700 градусів за Цельсієм. За цих умов тиск зріс іще більше.

Потім учені піддали електрони полістиролу рентгенівському аналізу. Це дозволило спостерігати за перетворенням вуглецю на алмаз і виділенням водню.

Великих успіхів досягти не вдалося, оскільки сучасні лабораторні лазери здатні лише на короткострокові імпульси, що імітують високий тиск. У мантії крижаних гігантів такі умови зберігаються протягом мільярдів років.

Щільні алмазні структури стають важчими за навколишнє середовище і поступово провалюються крізь верхні шари мантії. Занурюючись усе глибше і глибше в нижні шари мантії, де температура зростає, ці структури нагріваються та розділяються. Фактично молекули вуглецю «випаровуються» з нижніх шарів мантії і піднімаються назад у верхні шари. Де цикл починається знову.

Усе, що відбувається, дуже нагадує кругообіг води в земній природі. Звідси й термін «алмазний дощ».

Ґрунтуючись на математичному моделюванні та лабораторних експериментах, ми можемо стверджувати, що алмазні дощі на крижаних гігантах дуже реальні, робить висновок Пол Суттер.

Більш того, це відкриття може допомогти розгадати одну з головних загадок, пов’язаних, зокрема, з Нептуном.

Цей крижаний гігант нагрітий набагато сильніше, ніж має бути. За деякими підрахунками, Нептун «віддає» в космос приблизно у 2−2,5 рази більше тепла, ніж поглинає від Сонця. І пояснити цей феномен досі не вдавалося.

Проте, алмазні дощі можуть бути поясненням. Адже «цикл», який ми назвали алмазними дощами, цілком може бути настільки масштабним, що призведе до вивільнення додаткової гравітаційної енергії. І тертя щільних алмазних структур, що проходять через мантію, може виробляти додаткове тепло. Яке і призводить до таємничого нагрівання Нептуна.