Ледяные гиганты Уран и Нептун почти не получают достаточного внимания прессы; все внимание обращено на их более крупных братьев и сестер, могучего Юпитера и великолепного Сатурна.
На первый взгляд Уран и Нептун — просто скучные шары из неинтересных молекул. Но под внешними слоями этих миров может скрываться нечто впечатляющее: постоянный дождь из бриллиантов.
«ледяные гиганты» могут вызывать в воображении образ существа в стиле Толкина, но астрономы используют это название для классификации самых удаленных планет Солнечной системы , Урана и Нептуна.
Однако, как ни странно, это название не имеет ничего общего со льдом в том смысле, в каком вы его обычно распознаете — как, скажем, кубики льда в вашем напитке. Различие исходит из того, из чего сделаны эти планеты. Газовые гиганты системы Юпитер и Сатурн почти полностью состоят из газа: водорода и гелия. Именно благодаря быстрому накоплению этих элементов этим огромным планетам удалось увеличиться до их нынешних размеров.
Напротив, Уран и Нептун состоят в основном из воды, аммиака и метана. Астрономы обычно называют эти молекулы «льдом», но на самом деле для этого нет веских причин, за исключением того, что когда планеты только формировались, эти элементы, вероятно, были в твердой форме.
В (не очень) ледяные глубины
Глубоко под вершинами зеленых или синих облаков Урана и Нептуна находится много воды, аммиака и метана. Но эти ледяные гиганты, вероятно, имеют каменные ядра, окруженные элементами, которые, вероятно, сжаты в экзотические квантовые состояния. В какой-то момент эта квантовая странность превращается в «суп» под сверхвысоким давлением, который обычно разжижается по мере приближения к поверхности.
Но, по правде говоря, мы мало что знаем о внутренностях ледяных гигантов. В последний раз мы получали данные об этих двух мирах крупным планом три десятилетия назад, когда «Вояджер-2 » промчался мимо, выполняя свою историческую миссию.
С тех пор Юпитер и Сатурн принимали множество орбитальных зондов, но наши наблюдения за Ураном и Нептуном ограничивались наблюдениями в телескоп.
Чтобы попытаться понять, что находится внутри этих планет, астрономы и планетологи должны взять эти скудные данные и объединить их с лабораторными экспериментами, которые пытаются воспроизвести условия внутри этих планет. Кроме того, они используют старую добрую математику — очень много. Математическое моделирование помогает астрономам понять, что происходит в той или иной ситуации на основе ограниченных данных.
И именно благодаря этой комбинации математического моделирования и лабораторных экспериментов мы поняли, что на Уране и Нептуне могут быть так называемые алмазные дожди.
Идет дождь из бриллиантов
Идея алмазного дождя была впервые предложена перед миссией «Вояджер-2», которая стартовала в 1977 году. Обоснование было довольно простым: мы знаем, из чего состоят Уран и Нептун , и мы знаем, что вещество становится горячее и плотнее, чем глубже вы погружаетесь на планету. . Математическое моделирование помогает заполнить детали, например, самые внутренние области мантий этих планет, вероятно, имеют температуру где-то около 7000 кельвинов (12 140 градусов по Фаренгейту, или 6727 градусов по Цельсию) и давление в 6 миллионов раз больше, чем в атмосфере Земли .
Те же самые модели говорят нам, что самые внешние слои мантии несколько холоднее — 2000 К (3140 F или 1727 C) — и находятся под несколько менее интенсивным давлением (в 200 000 раз выше земного атмосферного давления). Поэтому естественно задаться вопросом: что происходит с водой? , аммиак и метан при таких температурах и давлениях?
В частности, в случае метана сильное давление может разорвать молекулу на части, высвобождая углерод. Затем углерод находит своих собратьев, образуя длинные цепочки. Затем длинные цепочки сжимаются, образуя кристаллические узоры, подобные алмазам.
Затем плотные алмазные образования падают сквозь слои мантии, пока не становится слишком жарко, где они испаряются, всплывают обратно и повторяют цикл — отсюда и термин «алмазный дождь».
Выращенные в лаборатории бриллианты
Лучший способ проверить эту идею — отправить космический корабль к Урану или Нептуну. В ближайшее время такой возможности не будет, поэтому нам придется пойти вторым путем: лабораторными экспериментами.
На Земле мы можем стрелять мощными лазерами по целям, чтобы на короткое время воспроизвести температуру и давление внутри ледяных гигантов. В ходе одного эксперимента с полистиролом (также известным как пенополистирол) удалось получить наноразмерные алмазы . Нет, Уран и Нептун не содержат большого количества полистирола, но с пластиком было гораздо легче обращаться в лаборатории, чем с метаном, и, по-видимому, он ведет себя очень похоже.
Кроме того, Уран и Нептун могут поддерживать это давление намного дольше, чем лабораторный лазер, поэтому алмазы, по-видимому, могут вырасти и стать намного больше, чем наноразмеры.
Конечный результат? Основываясь на всем, что мы знаем о составе ледяных гигантов, их внутреннем строении, результатах лабораторных экспериментов и нашем математическом моделировании, алмазный дождь — вполне реальная вещь.