Используя мощнейший рентгеновский лазер Linac Coherent Light Source, ученые впервые воспроизвели в лабораторных условиях среду, подобную нижним слоям атмосферы Урана и Нептуна, и продемонстрировали, что глубины этих ледяных гигантов идеально подходят для формирования алмазов.

«Наличие большого количества водорода, гелия и метана, которые придают этим планетам особый синий оттенок, обеспечивает идеальные химические условия для образования алмазных осадков в их недрах. Каменистые ядра, которые, предположительно, существуют внутри Нептуна и Урана, должны быть покрыты алмазной оболочкой», — сказал автор работы Доминик Краус из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф.

На Юпитере и Сатурне, когда бури проходят сквозь облака молекул метана, удары молнии вызывают потерю химических связей атомами углерода. Когда они собираются в воздухе, получаются облака сажи, которые затем опускаются в нижнюю атмосферу, подвергаясь все большему давлению. Это давление сжимает углерод в графит, а затем снова в алмаз. Под действием силы тяжести частицы падают до середины планет в виде «алмазного дождя».

На Уране и Нептуне может существовать облачный слой с морем горячего метана (CH4), который затем распадается в условиях высокого давления, заставляющего образовавшийся углерод сжиматься в алмаз.

Используя инструмент под названием Matter in Extreme Conditions (MEC), ученые подвергали тонкий лист полистирола лазерному удару, производящему давление до 150 гигапаскалей. Лазер нагревал материал примерно до 6000 К, что очень горячо, но не настолько, чтобы расплавить алмаз. Полистирол является углеводородным полимером и успешно распадается на составляющие его атомы водорода и углерода, которые затем сжимаются. В течение невероятно короткого момента это вызывает образование наноалмазов.

Полученная среда похожа на ту, что находится внутри Нептуна и Урана на глубине около 10 000 км. «Согласно некоторым расчетам, температура вблизи их ядер достаточно высока. Если это действительно так, там могут быть океаны жидкого углерода с гигантскими алмазными айсбергами, — сказал Краус. — Но большинство теорий предполагают, что алмаз внутри Нептуна и Урана остается твердым, хотя на некоторых экзопланетах может быть иначе».

Довольно сложно проверить эти процессы в реальном времени с помощью лазерного импульса, поэтому необходимы ультраяркие рентгеновские лучи. Это как невероятно яркая и чрезвычайно короткая (50 фемтосекунд) вспышка камеры. «Мы можем создавать это экзотическое состояние лишь в течение наносекунды, и, чтобы успеть его исследовать, требовалось много рентгеновских лучей. Затем мы сделали простую рентгеновскую дифракцию (метод, которым идентифицируется почти каждая кристаллическая структура) и получили удивительно ясный алмазный сигнал».

Предыдущие эксперименты либо вовсе не давали прямых доказательств этого процесса, либо результаты метода, обычно используемого для нормального сжатия углерода, были недостаточно ясны.

Исследование опубликовано в Nature Astronomy.