Углерод и водород являются одними из самых распространенных элементов во Вселенной и являются основными составляющими ледяных планет-гигантов, таких как Уран и Нептун. Во внешней атмосфере эти атомы находятся в форме метана, но более глубоко внутри высокое давление может привести к более сложным углеводородным структурам. Предсказание фаз и структур, которые материал принимает в этих условиях, – один из основных вопросов планетарных исследований.
Чтобы лучше понять структуру ледяных гигантов, международная группа во главе с двумя исследователями HZDR доктором. Николас Хартли и доктор. Доминик Краус в лабораторном эксперименте исследовал два типа пластика: полистирол и полиэтилен. Эти материалы похожи по химическому составу на углеводороды на планетах.
В Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США ученые подвергли образцы воздействию условий, которые, по прогнозам, будут находиться на глубине около десяти тысяч километров под поверхностью Нептуна и Урана. На этой глубине давление почти такое же высокое, как в ядре Земли, и в два миллиона раз превышает атмосферное давление на поверхности Земли.
Достижение чрезвычайно высокого давления
При таких высоких давлениях и температурах единственной возможной структурой, которую ожидали исследователи, был алмаз, иначе образцы будут расплавлены.
Вместо этого они наблюдали стабильные углеводородные структуры вплоть до максимально достигнутых давлений, но только для образцов полиэтилена. «Мы были очень удивлены этим результатом, – говорит Хартли. "Мы не ожидали, что различное начальное состояние будет иметь такое большое значение в таких экстремальных условиях. Только недавно, с появлением более ярких источников рентгеновского излучения, мы смогли изучать эти материалы.
Мы первыми подумали, что это возможно – и это было."
Поскольку экстремальные условия внутри ледяных гигантов на Земле могут быть достигнуты только на короткое время, исследователям нужны молниеносные методы измерения.
В мире существует лишь несколько сверхбыстрых рентгеновских лазерных установок, а время на измерения редкое и очень востребованное. Краус и Хартли были удостоены в общей сложности трех двенадцатичасовых смен для своих экспериментов, поэтому им приходилось использовать каждую минуту для проведения как можно большего числа измерений. Фактический момент, когда они сотрясают образец и зонд с помощью рентгеновского лазера, занимает всего несколько миллиардных долей секунды.
Появляется неожиданная структура
Даже во время экспериментов исследователи смогли распознать первоначальные результаты: «Мы были очень взволнованы, потому что, как мы и надеялись, полистирол образовал алмазоподобные структуры из углерода. Однако для полиэтилена мы не увидели ромбов для условий, достигнутых в этом эксперименте. Вместо этого появилась новая структура, которую мы сначала не могли объяснить », – вспоминает Хартли.
Сравнивая данные с предыдущими результатами при более низких давлениях, они определили, что это стабильная структура полиэтилена, которая наблюдалась при более низком давлении в пять раз и только при температуре окружающей среды.
Открытие исследовательской группы демонстрирует, насколько важно лучше охарактеризовать условия температуры и давления внутри ледяных гигантов, а также химию, к которой они приводят, чтобы понять их структуру и физические свойства.
Модели Урана и Нептуна предполагают, что необычные магнитные поля этих планет могут быть вызваны свободным водородом, что может означать, что эти результаты встречаются реже, чем ожидалось. В будущем исследователи хотят использовать смеси, включающие кислород, чтобы их эксперименты лучше соответствовали химическому составу планет.
К исследователям из HZDR присоединились ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Университета Осаки, Технического университета Дрездена, Технического университета Дармштадта, GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung, Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, Калифорнийского университета в Беркли, Университета Варвика. , европейский XFEL, LULI в Политехнической школе в Париже и Университете Ростока.