Изучение планет в лаборатории привело к созданию неизвестного вещества

Гигантские планеты, такие как Уран и Нептун, способны содержать гораздо меньше свободного водорода, чем предполагалось ранее. Исследователи из немецкого Гельмгольца-Центра Дрездена-Россендорфа (HZDR) пропустили ударные волны через два типа пластика для достижения одинаковых температур и давлений, присутствующих внутри таких планет. Наблюдение проводилось при помощи ультрасильных импульсов рентгеновского лазера. Неожиданно, один из этих пластиков сохранил свою кристаллическую структуру даже при самых экстремальных давлениях. Поскольку внутренности ледяного гиганта состоят из тех же компонентов, что и пластик, теперь планетарные модели, возможно, придется пересмотреть. Об этом сообщает исследование опубликованное в журнале Scientific Reports.

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 газообразного метана, но глубже внутри высокое давление может привести к более сложным углеводородным структурам. Прогнозирование фаз и структур, которые материал принимает в этих условиях, является одним из главных вопросов исследования планет.

Чтобы лучше понять структуру ледяных гигантов, международная команда, возглавляемая двумя исследователями HZDR, доктором Николасом Хартли и доктором Домиником Краусом, исследовала два типа пластика в лабораторном эксперименте: полистирол и полиэтилен. Эти материалы похожи по химии на углеводороды внутри планет. В Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США ученые подвергли образцы воздействию условий, которые, по прогнозам, находятся примерно на 10 000 километров ниже поверхности Нептуна и Урана. На этой глубине давление почти такое же высокое, как в ядре Земли, и в 2 миллиона раз выше атмосферного давления на земной поверхности.

При таких высоких давлениях и температурах единственной возможной структурой, которую ожидали увидеть исследователи, был алмаз, или то что образцы будут плавиться. Вместо этого они наблюдали стабильные углеводородные структуры вплоть до достижения самых высоких показателей давления, но только для образцов полиэтилена.

«Мы были очень удивлены этим результатом», — сообщил Хартли. «Мы не ожидали, что другое начальное состояние будет иметь такое большое значение в таких экстремальных условиях. Только недавно, с развитием более ярких источников рентгеновского излучения, мы смогли изучить эти материалы. Мы были первыми, кто подумал что это может быть возможно и так все и оказалось на самом деле».

Поскольку экстремальные условия внутри ледяных гигантов на Земле могут быть достигнуты только на короткое время, исследователям нужны молниеносные методы измерения. В мире существует всего несколько сверхбыстрых рентгеновских лазерных установок, и время для измерений является редким и крайне востребованным. Краус и Хартли были награждены в общей сложности тремя 12-часовыми сменами за свои эксперименты, и поэтому им приходилось использовать каждую минуту для проведения как можно большего количества измерений.

«Мы были очень взволнованы, потому что, как и надеялись, полистирол образовывал алмазоподобные структуры углерода. Однако для полиэтилена мы не видели алмазов в условиях, достигнутых в этом эксперименте. Вместо этого появилась абсолютно новая структура, которую мы не могли поначалу объяснить», — вспоминает Хартли.

Сравнивая данные с предыдущими результатами при более низких давлениях, они идентифицировали его как стабильную структуру полиэтилена, которая наблюдалась при понижении давления в пять раз и только при температуре окружающей среды.

Это открытие демонстрирует важность более точной характеристики температур и условий давления внутри ледяных гигантов и химии, к которой они приводят и повзоляет понять их структуру и физические свойства. Модели Урана и Нептуна предполагают, что необычные магнитные поля этих планет могут возникать из свободного водорода, что, как могут предполагать эти результаты, встречается реже, чем ожидалось. В будущем исследователи хотят использовать смеси, в том числе кислород, с целью насколько соответствуют ожиданиям химические процессы внутри планет.