Стопиха диамант и разкриха тайна за Уран и Нептун

Физици от Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) стопиха диамант при налягане над 1 терапаскал и температура като на повърхността на Слънцето — и за пръв път измериха атомната му структура през целия преход от кристал към течност. Резултатите излязоха този месец в Nature Physics под заглавието „Diamond melting in shock compression experiments at 1 TPa pressures“ с водещ автор Мариус Мийо. Експериментът затваря спор, който върви от около 20 години, и подкрепя идеята, че дълбоко в Уран и Нептун наистина вали диамантен дъжд.

Милиардна от секундата при налягане тройно над земното ядро

Опитите са направени на лазерната установка Omega в Университета на Рочестър. Лазерът изпарява външния слой на малка диамантена проба; изпарението изстрелва ударна вълна навътре и притиска остатъка до налягане над 1 TPa — повече от три пъти това в центъра на Земята и над налягането в центровете на Нептун и Уран.

Цялото това състояние живее около една милиардна от секундата. В този прозорец екипът е снимал пробата с рентгенова дифракция и е мерил едновременно температура, плътност и оптична отражателност.

„Това беше първият път, в който ударно свит диамант беше изследван с рентгенова дифракция чак до топенето“, обяснява Мийо. Останалите автори от LLNL включват Федерика Копари, Ейми Лазицки, Йонг-Дже Ким, Ото Ландън, Владимир Смалюк и Питър Селие.

Спорът за 1000 келвина

Досега измерената температура на топене на диаманта се разминаваше с квантовомеханичните симулации с около 20% — над 1000 келвина разлика. Това е огромно за материал, който служи и за еталон, и за конструктивен елемент в лабораториите за високи налягания.

По-ранни опити в Sandia подсказваха, че преди да се стопи, въглеродът минава през междинна фаза, което би обяснило разминаването. Новите данни показват друго: при единична ударна вълна атомите остават „заклещени“ в диамантената решетка и не успяват да се пренаредят, преди топенето да започне. Щом това се вземе предвид, измерването и теорията съвпадат.

Второто наблюдение е поне толкова важно: твърдият диамант е по-малко плътен от течния метален въглерод и плава в него, както ледът плава във вода. Малко материали се държат така.

Защо това променя картината за Уран и Нептун

Под водородно-хелиевата атмосфера на ледените гиганти има гореща мантия от вода, метан и амоняк. При тези налягания метанът се разпада, въглеродът кристализира и падналите зърна потъват към ядрото — сценарият, известен като диамантен дъжд.

Снимка: NASA/JPL-Caltech

Точно тук новите числа влизат в употреба. Моделите на вътрешността на планетите се хранят с уравнения на състоянието — къде въглеродът е твърд, къде течен, колко е плътен. Досега тази линия беше начертана с грешка от над 1000 K. С по-точна крива на топене прогнозите за структурата и еволюцията на ледените гиганти стъпват на по-здрава основа.

Има и конкретен въпрос, който чака отговор: Нептун излъчва повече от два пъти повече енергия, отколкото получава от Слънцето. Потъващият диамант отделя гравитационна енергия и триене — един от кандидатите за източник на този излишък. Работата на LLNL не доказва механизма, но прави проверката му по-надеждна. Проверка на място засега няма — Voyager 2 остава единственият апарат, минал покрай двете планети, а мисиите с орбитален апарат до Уран са още в списъци с приоритети, за разлика от вече летящи мисии като BepiColombo при Меркурий.

Неочакваната полза: до три пъти по-голям добив от синтез

Диамантът не е само планетарна физика. В инерциалния термоядрен синтез капсулата с горивото често е от диамант и трябва да се стопи изцяло по време на имплозията.

Ако диамантът се топи при по-ниска температура, отколкото се смяташе, първата ударна вълна може да бъде малко по-бавна и капсулата пак да се разтопи докрай. По-бавният старт означава по-студено и по-свиваемо гориво, а според изчисленията на екипа това може да утрои добива при същата вложена лазерна енергия в National Ignition Facility. Това е предсказание за настройка на експеримента, не постигнат резултат — но е конкретна следваща стъпка за област, в която рекордите вече се редят един след друг.

Какво остава

Измерването покрива единична ударна вълна. Реалните вътрешности на планетите са смеси от въглерод, водород, кислород и азот, а не чист въглерод, и стоят при тези условия милиарди години, а не наносекунди. Следващата задача е същата прецизност при смеси и при по-бавно, стъпаловидно свиване. Дотогава основното е ясно: най-твърдият познат материал вече има измерена точка на топене, която съвпада с теорията — и това помага както на моделите за Нептун, така и на капсулите за синтез.