Ученые воссоздали алмазный дождь Нептуна и Урана

Физики из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) впервые напрямую изучили, как алмаз плавится при давлении, в несколько раз превышающем давление в центре Земли. Работа, опубликованная в журнале Nature Physics, помогла разрешить давний спор о поведении углерода в экстремальных условиях и может улучшить модели недр Нептуна и Урана.

Алмаз интересует ученых не только как драгоценный камень. Из него делают оболочки для капсул с топливом в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу. Кроме того, считается, что глубоко внутри ледяных гигантов под огромным давлением углерод может превращаться в алмазы, которые затем выпадают в виде «дождя».

Загадка плавления алмаза

До сих пор эксперименты и компьютерные модели по-разному описывали поведение алмаза при высоких температурах и давлениях. Около 20 лет назад ученые обнаружили необычное свойство материала: при плавлении его плотность может увеличиваться.

«Хотя это довольно необычно для большинства материалов, мы все знаем пример такого поведения. Жидкая вода плотнее льда, поэтому кубики льда плавают. Открытие Джона означает, что алмаз будет плавать в жидком углероде при высоком давлении», — объяснил ученый LLNL Мариус Милло.

Однако тогда возникло противоречие: измеренная температура плавления алмаза примерно на 20% отличалась от расчетов. Даже самые современные компьютерные модели не могли воспроизвести результаты экспериментов.

Дополнительную загадку выявили специалисты Национальной лаборатории Сандия. Они предположили, что перед плавлением алмаз может переходить в другую кристаллическую форму. Расчеты это подтверждали, но напрямую увидеть изменения структуры атомов не удавалось.

Алмаз сжали сильнее, чем внутри Нептуна

Чтобы решить проблему, команда LLNL провела эксперименты на лазерной установке Omega в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета.

Ученые создали ударную волну, которая сжала крошечный алмазный образец до температур выше температуры поверхности Солнца и давлений, превышающих условия в центре Нептуна и Урана.

Состояние вещества сохранялось всего около миллиардной доли секунды, поэтому исследователи использовали рентгеновскую дифракцию — метод, позволяющий определить расположение атомов внутри материала.

«Это был первый случай, когда ударно-сжатый алмаз исследовали с помощью рентгеновской дифракции вплоть до плавления», — рассказал Милло.

Новые измерения почти полностью совпали с квантовыми расчетами и закрыли 20-летний спор о температуре плавления алмаза.

При этом ученые не подтвердили существование промежуточной фазы перед плавлением. Оказалось, что при быстром сжатии углерод сохраняет структуру алмаза до самого перехода в жидкое состояние.

«Мы считаем, что это происходит потому, что образец не успевает изменить структуру при воздействии одного ударного импульса. Он остается "запертым" в форме алмаза», — отметил Милло.

Поможет получить больше энергии от синтеза

Результаты могут пригодиться в экспериментах по термоядерному синтезу на Национальном комплексе зажигания (NIF).

В таких установках лазеры сжимают алмазную капсулу с топливом внутри. Равномерное плавление оболочки важно для стабильного запуска реакции, поскольку любые неровности могут снизить эффективность процесса.

По словам Милло, новые данные показывают, что для плавления алмазной оболочки можно использовать более мягкий начальный импульс. Это позволит сильнее сжать топливо и повысить выход энергии.

Расчеты показывают, что такой подход потенциально способен увеличить энергетическую отдачу в три раза.

Что происходит внутри ледяных гигантов

Эксперимент также поможет ученым лучше понять строение Нептуна и Урана. Их внутренние слои невозможно изучить напрямую, поэтому исследователи используют лабораторные эксперименты и компьютерные модели. Некоторые теории предполагают, что внутри этих планет углерод под огромным давлением превращается в алмазы, которые постепенно опускаются к глубинным слоям.

Новые данные о поведении алмаза при экстремальных условиях помогут создавать более точные модели формирования и эволюции ледяных гигантов.