Планети, де небо в діамантах

У своїй повсякденній практиці ми вважаємо діаманти дорогоцінним камінням. У першу чергу це пов’язано з тим, що на Землі вони зустрічаються вкрай рідко.  Навіть у наші часи їхній річний видобуток не перевищує 30 тонн, що становить 0,02 карати на одного мешканця планети. Але в Сонячній системі існують світи, де діаманти буквально «сиплються дощем». Втім, є й погана новина: якщо ми зуміємо колись спіймати хоч краплю цього «дощу», це станеться дуже нескоро.

Уран (ліворуч) і Нептун, сфотографовані з близької відстані зондом Voyager 2. Обидві ці планети за розміром приблизно вчетверо перевищують Землю. Джерело: NASA

З усіх великих планет Сонячної системи лише дві досі не мали штучних супутників. Йдеться про «крижані гіганти» Уран і Нептун. Про їхній зовнішній вигляд ми знаємо завдяки світлинам, зробленим із прольотної траєкторії автоматичним апаратом Voyager 2 ще у 1986 та 1989 роках. Але зазирнути «глибше» вченим наразі не вдалося. Про те, що відбувається в надрах цих планет, ми можемо лише робити теоретичні припущення.

Звідки виник термін «крижані гіганти»

Справа в тому, що Юпітер і Сатурн знаходяться ближче до Сонця та майже повністю складаються з легких газів — водню та гелію. Як свідчать спектральні дослідження, ці ж елементи переважають в атмосферах Урану та Нептуну. Але основними складниками далеких планет є вода, метан і аміак. Ці речовини, крім метану, здебільшого перебувають у твердій формі, яка, втім, мало схожа на відомий нам водний або аміачний лід. Причина цього — неймовірно високий тиск у надрах двох найдальших планет. Вважається, що в їхніх центрах має бути присутнє залізокам’яне ядро, розігріте за рахунок гравітаційного стиснення мінімум до 7 тис. градусів за Цельсієм.

Внутрішня структура «крижаних гігантів»

У хмарах крижаних гігантів панує лютий холод — біля 200 градусів зі знаком «мінус». У міру наближення до ядра їхня газова оболонка нагрівається. Але зростає й тиск, змушуючи речовину переходити в екзотичні квантові стани, завдяки чому в цих планет фактично відсутня тверда поверхня. Хоча насправді описана картина існує лише у розрахунках фахівців. Щоб її побудувати, астрономи та планетологи скористалися невеликим об’ємом даних, отриманих у ході наземних спостережень. Також їм допомогла інформація, передана зондом Voyager 2. Далі були задіяні складні методи математичного моделювання та лабораторні експерименти з високими тисками й температурами. Їх метою було відтворення внутрішнього середовища Урану та Нептуну. Що ж учені з’ясували в результаті?

З усіх хімічних сполук, що входять до складу зовнішніх планет, метан має найнижчу температуру кипіння. Тобто його важко перевести до твердого чи якогось іншого «згущеного» стану навіть під великим тиском. На глибині близько 7 тис. км від верхньої межі хмар, де цей тиск сягає 200 тис. атмосфер, температура вже підіймається приблизно до 1750°C. Якщо молекули води й аміаку при такій температурі лишаються стабільними, то метан починає потроху «розвалюватися» на складові — вуглець і водень. Останній, як найлегший із газів, підіймається у верхні атмосферні шари. А от із вуглецем починають коїтися цікаві речі.

Окремі «вільні» вуглецеві атоми починають об’єднуватися між собою в ланцюжки. Потім із них формуються складні просторові «конструкції», що врешті утворюють кристалічну структуру діаманту. Як відомо, діамант є не лише найтвердішою відомою речовиною. Він ще має найпростіший склад з усіх мінералів, бо містить лише вуглець, а також мізерні кількості домішок, що часом забарвлюють природні діаманти у різні кольори.

Як утворюються діаманти

Твердий вуглець найчастіше утворюється при термічному розпаді органічних речовин. У земних умовах він конденсується у великі «молекулярні пластини». Потім вони об’єднуються між собою в найвідоміший різновид цього хімічного елементу — графіт або сажу. Але під вищим тиском і за високих температур він кристалізується у вигляді своєї дорогоцінної модифікації — діаманту. І саме такі температура й тиск присутні у певному шарі атмосфер Урану та Нептуну.

Кристалічна структура та зовнішній вигляд графіту (ліворуч) і алмазу

Ідея «діамантового дощу» виникла задовго до прольоту зонда Voyager 2 біля зовнішніх планет. Спершу вона здавалася екзотичною, але пізніше вчені вигадали спосіб, як її перевірити. Сучасна техніка не дозволяє нам зануритися в надра «крижаних гігантів» і передати інформацію звідти. Але частково відтворити їхнє середовище в лабораторних умовах цілком можливо. Наприклад, відповідного тиску й температур на короткий час можна досягти при опроміненні твердих сполук вуглецю та водню потужним лазером. У якості «мішені» був обраний звичайний пінополістирол, більш відомий як «пінопласт». Результатом експерименту стали наночастинки діаманту — саме те, що й очікували отримати.

В ураніанських і нептуніанських надрах «потрібний» тиск і температура присутні постійно. Тому кристали діамантів там мають можливість виростати до значно більших розмірів. Маючи набагато вищу густину, ніж їхнє газоподібне оточення, вони починають падати до ядра планети. На якійсь глибині там стає настільки гаряче, що починає випаровуватися навіть кристалічний вуглець. Очевидно, має існувати шлях, яким він знову дістається до вищіх шарів атмосфери, де реагує з воднем і знов утворює метан — інакше запаси цього газу на «крижаних гігантах» давно б уже вичерпалися. Планетологи вже запропонували кілька таких механізмів. Який із них має місце в реальності, покажуть подальші дослідження.

За матеріалами: www.space.com

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine

Початок кінця: Hubble зазнімкував молекулярну хмару
Астронавти побачили політ Starliner на тлі полярного сяйва
Випадкова знахідка підтвердила одну з давніх теорій раннього Всесвіту
Вчені відкрили землеподібну планету на відстані 55 світлових років від нас
Телескоп Chandra шукатиме життя біля найближчих до нас зір
Повернення Starliner на Землю затримується ще на чотири дні
Новий трюк для старого телескопа: Hubble відновив наукові спостереження
В уламку скелі знайшли матеріал із протопланетного диска часів формування Сонячної системи
Кожен із нас — центр Всесвіту: парадокс розширення космосу
Молоді зорі кружляють навколо чорної діри, наче рій бджіл