На Юпитере и Сатурне природа, судя по расчётам учёных, доводит выражение «небо в алмазах» до почти буквального смысла. Речь, конечно, не о сказочных бриллиантах, падающих на поля цветов, а о суровой физике: в глубинах газовых гигантов углерод может переживать такие превращения, что в какой‑то момент превращается в настоящие алмазы и «льётся» вниз, как дождь. Эта картина кажется фантастикой, но за ней стоит вполне серьёзная наука.
Почему вообще заговорили об «алмазных дождях»
Идея алмазного дождя родилась не из поэзии, а из простого вопроса: что происходит с углеродом в атмосферах планет-гигантов, если там есть чудовищное давление и температура? Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и гелия, но в их атмосферах есть и другие элементы, включая углерод в составе метана и более сложных соединений.[1]
Когда учёные начали моделировать условия в недрах этих планет — от верхних облачных слоёв к более глубоким регионам — выяснилось, что:
- молекулы углеродсодержащих газов при определённых давлениях и температуре разрушаются;
- углерод выделяется в виде сажи (аморфного углерода);
- далее, при ещё более высоком давлении, эта сажа сначала уплотняется, а затем может переходить в кристаллическую фазу — алмазоподобную.
Суть гипотезы: в атмосфере сначала рождается «углеродный снег», который по мере падения вниз превращается в «алмазный град», а ещё глубже — в алмазный «дождь».
Как из метана получается алмаз
Картина по шагам, упрощённо, но по сути:
1. Верхние слои атмосферы
В верхних слоях Сатурна и Юпитера есть метан. Он подвергается воздействию молний, ультрафиолетового излучения и высокоэнергетичных частиц. Эти процессы разрывают молекулы метана.
2. Образование сажи
Из разрушенного метана выделяются цепочки углерода. Они объединяются в более крупные структуры — частицы сажи. В моделях атмосферы Сатурна именно такие частицы объясняют тёмные полосы и некоторые особенности оптического спектра.
3. Падение вниз
Частицы углерода тяжелее окружающего газа, поэтому они начинают «тонуть», то есть падать в более глубокие слои. Там температура повышается, растёт давление.
4. Переход в кристаллическую фазу
На определённой глубине давление достигает сотен тысяч атмосфер, а температура — тысяч кельвинов. В таких условиях углерод может переходить из аморфной формы в кристаллическую — именно ту, которую мы называем алмазной решёткой. На этом этапе «угольная пыль» превращается в мельчайшие алмазные зёрна.
5. Дальнейшее погружение и «плавление алмазов»
Ещё глубже температура становится настолько высокой, что даже алмазная решётка перестаёт быть стабильной. Там алмаз уже не твёрдое тело, а нечто вроде «углеродной жидкости». Получается странный цикл: углерод выпадает в виде алмазов, падает вниз, а в экстремальной глубине снова теряет твёрдую структуру.
Именно этот промежуточный этап — когда кристаллические частицы углерода падают вниз — и описывают как «алмазный дождь».
Почему это пока гипотеза, а не факт в стиле «мы сфотографировали»
Мы не опускали датчики в недра Сатурна или Юпитера — это физически невозможно с нынешними технологиями: давление и температура разрушат любой зонд задолго до нужных глубин. Поэтому всё основано на:
- расчётах равновесия фаз углерода при высоких давлениях и температурах;
- лабораторных экспериментах на Земле, где создают условия, приближённые к внутренностям планет;
- моделях атмосфер газовых гигантов и наблюдениях их спектров.
В лабораториях, например, с помощью мощных лазеров и ударных волн создают кратковременное давление и температуру, соответствующие глубинам ураноподобных или сатурнианских недр. В таких опытах удаётся зафиксировать рождение нанокристаллов алмазов из углеродсодержащих веществ. Это не прямое доказательство, что то же самое происходит на планетах, но сильный аргумент в пользу гипотезы.
Астрономы поэтому говорят осторожно: «модельно допустимо», «теоретически возможно», «согласно расчётам».
Почему чаще упоминают не только Юпитер и Сатурн, но и Уран с Нептуном
Интересно, что алмазные дожди куда чаще уверенно «приписывают» именно Урану и Нептуну — ледяным гигантам. Там больше углерода, чем в атмосферах Юпитера и Сатурна, и условия внутри них, судя по моделям, ещё более благоприятны для образования алмазной фазы.[1]
В случае Юпитера и Сатурна:
- углерод в атмосфере есть, но его меньше;
- зато огромные размеры и глубина недр создают колоссальные зоны высоких давлений;
- модели показывают, что в некоторых слоях условия пересекаются с «областью стабильности алмаза» на диаграммах фаз углерода.[1]
Так что фраза «на Юпитере и Сатурне могут идти алмазные дожди» — добросовестная формулировка: это не наблюдённый факт, а хорошо мотивированная гипотеза, основанная на физике высоких давлений и химии углерода.
Зачем нам вообще знать про чужие дожди
На первый взгляд это красиво, но бесполезно. Алмазы где‑то далеко — и что с того? На самом деле, такие модели важны сразу по нескольким причинам:
Строение планет.
Понимание того, в каких формах может находиться углерод (и другие элементы) в недрах гигантов, важно для расчёта их плотности, теплопереноса, магнитных полей.
Экзопланеты.
Когда астрономы находят планеты у других звёзд, особенно «супер-Нептуны» и «мини-Нептуны», им нужно понимать, какие там могут быть внутренние процессы. Алмазные слои внутри — не просто красивая идея, а фактор, влияющий на эволюцию таких миров.[1]
Материалы будущего.
Лабораторные эксперименты, вдохновлённые моделями «алмазных дождей», продвигают вперёд физику сверхтвёрдых материалов, плазмы и управляемых экстремальных условий давления и температуры.
Есть даже спекуляции (пока совсем фантастические), что когда‑нибудь в далёком будущем человечество сможет использовать внутренности таких планет как источник редких материалов. Но это уж точно не история ближайших веков.
Как это выглядит, если попытаться представить
Если попытаться вообразить «небо над Сатурном», мы обычно вспоминаем кольца. Но если перенестись внутрь, в глубины атмосферы, картина другая:
- наверху — привычные для нас облака, вихри, полосы;
- чуть ниже — молнии, разрушающие метан и создающие углеродные частицы;
- ещё глубже — тёмный слой, где «сажа» превращается в мельчайшие кристаллы;
- и там, в этом невидимом глазу слое, крошечные алмазы падают вниз в плотную тьму, где они рано или поздно расплавятся.
Никаких сияющих бриллиантовых ливней, никаких блестящих камней на поверхности — просто тихий, вечный углеродный цикл в недрах гигантов, где давление и температура делают алмаз не драгоценностью, а временной стадией вещества.
И, возможно, в этом есть особый оттенок: то, что для нас — символ роскоши и богатства, где‑то в глубинах других миров — просто одна из фаз, промежуточное состояние атома углерода на его пути через необычную погоду чужой планеты.