В этой статье я собрал три истории ученых, которые первыми увидели, как камни рождают воду под давлением в миллионы атмосфер. По их воспоминаниям, главное открытие ждало не в космосе, а в лабораториях, где алмазы ломались как стекло, а магма кипела при температурах, в тысячу раз превышающих закалку стали.
Гаррисон Хорн ушел из лаборатории в 2 часа ночи, когда сломался седьмой алмаз за неделю
Далее приведу его воспоминания от первого лица, сохранив максимально его лексику и эмоции.
"Мы пытались повторить условия на поверхности планеты, которая только что родилась. Давление - 40 миллионов атмосфер. Температура - четыре тысячи градусов по Кельвину. Для этого используется алмазная наковальня - две точки алмаза, между которыми сжимается образец. Проблема в том, что водород проникает в решетку алмаза и делает его хрупким. Я все равно ломал кучу алмазов".
Гаррисон работал в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии. Его задача - доказать, что вода на экзопланетах может появляться не из космоса, а изнутри. Когда газообразный водород атмосферы встречается с расплавленной магмой, он вырывает кислород из минералов. Из этого и образуется вода.
"Мы использовали импульсные лазеры вместо непрерывного излучения. Нагреваем образец доли секунды. Это снижает проникновение водорода. Но алмазы все равно ломались. Каждый раз, когда ты слышишь треск - это пятьдесят тысяч долларов в мусорное ведро".
Анат Шахар изучала пиролит - синтетический аналог мантии Земли
Ее группа в Институте науки Карнеги в Вашингтоне пришла к тем же выводам, но другим путем. Они не добавляли металлическое железо в эксперимент. Вместо этого брали железосодержащее вещество, похожее на то, из чего состояла первая мантия Земли.
"Когда мы достигли температур и давлений, характерных для суб-Нептунов, увидели косвенные свидетельства образования воды, - вспоминает Шахар. - Железообразные шарики и пустые полости, которые, вероятно, содержали воду. Жидкая вода в нашем эксперименте появляется из-за восстановления оксида железа, который есть в силикатах".
Самое удивительное - вода образуется в количествах, в тысячи раз превышающих теоретические прогнозы. "Теоретическое предсказание, сделанное до нашего исследования, недооценивало содержание воды в 2000–5000 раз", - говорит Дан Шим из Университета штата Аризона, руководитель параллельного исследования.
Дэн Шим смотрел на результаты спектроскопии и не верил цифрам
"Математические модели показывали, что водород должен реагировать с магмой. Но эксперимент показывает, что реакция производит достаточно воды для целого водного мира. Это изменяет все", - говорит Шим.
Он химик по образованию. Его группа использовала рентгеновскую дифракцию и спектроскопию, чтобы увидеть, что происходит внутри алмазной наковальни. Полученные данные показали конкретные редокс-реакции между оливином, железом и водородом. Масс-спектрометрия показала количество растворенного водорода.
"Мы обнаружили, что огромное количество водорода растворяется в силикатном расплаве. И это сильно зависит от температуры, а не от давления. При 4000 Кельвинов вода образуется мгновенно".
Самая большая проблема исследователей была не в аппаратуре. Главная проблема ждала их в научном сообществе.
Когда две статьи вышли в Nature в одну неделю, рецензенты были скептиками.
"Мы показали, что сухой мир может стать влажным сам по себе. Вам не нужно перемещать планету из места, где лед конденсируется. Это означает, что водные миры могут формироваться гораздо ближе к звездам, чем мы думали", - поясняет Квентин Уильямс из UC Santa Cruz, автор комментария в Nature.
Когда Шахар и Миоцци вернулись в свои лаборатории после публикации, их ждало настоящее разочарование
"На нас смотрели как на тех, кто нарушил устоявшиеся модели", - вспоминает Франческа Миоцци, соавтор исследования. Но данные были несомненны.
Большинство ученых впервые осознали масштаб: более 6000 экзопланет, и большинство из них - суб-Нептуны. Если каждая может производить воду, то Вселенная наполнена потенциальными миражами жизни. И ощущение того, что ты потратил годы на теорию, которая оказалась в 5000 раз неправильной - было ужасным разочарованием.
В XX веке мы думали, что вода - редкость во Вселенной. В XXI веке эксперименты показывают, что она может появляться сама по себе, где угодно. Как выяснилось мы еще мало знаем о том, как устроен мир.
✨ Если тебе интересны такие истории - как наука, техника и человеческое мышление соединяются, чтобы раскрыть тайны космоса - подпишись на канал «Мир интересного». Следи с нами за тем, как учёные меняют представление о жизни во вселенной.