На ледяных планетах идут алмазные дожди — раскрыты тайны магнитных полей Нептуна и Урана

Новое исследование показывает, что алмазный дождь на ледяных планетах, таких как Нептун и Уран, формируется в менее экстремальных условиях, чем считалось ранее. Это явление влияет на внутреннюю динамику и магнитные поля планет.

Международная группа исследователей получила новое представление об образовании алмазов на ледяных планетах, таких как Нептун и Уран. Ученые полагают, что после своего формирования алмазы будут медленно погружаться глубже в недра планеты под действием гравитационных сил, что приведет к «алмазному дождю» из более высоких слоев. Результаты исследования опубликованы в Nature Astronomy.

Алмазный дождь на ледяных планетах — это загадка, которую ученым еще только предстоит решить. Они обеспечивают внутренний источник тепла и транспортируют углерод глубже в планету, что может оказать существенное влияние на планетарные свойства и состав. Также это может вызвать движение внутри проводящих льдов на этих планетах, влияя на генерацию их магнитных полей.

Вполне вероятно, что экзотические осадки образуются при еще более низком давлении и температуре, чем считалось ранее, и могут влиять на необычные магнитные поля Нептуна и Урана

В более ранней работе, проведенной на XFEL (European x-ray free electron laser — Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах), ученые смогли наблюдать алмазный дождь, формирующийся в условиях высокого давления. Это подтвердило возможность образования алмазов на ледяной планете, состоящей в основном из воды, аммиака и углеводородов. Позднее ученые обнаружили, что присутствие кислорода повышает вероятность образования алмазов, позволяя им формироваться и расти в более широком диапазоне условий и на большем количестве планет.

Раньше высокие давление и температура создавались путем ударного сжатия углеводородов с помощью мощных лазеров, что позволяло поддерживать эти условия лишь в течение нескольких наносекунд. В новом эксперименте, проведенном на XFEL, исследователи смогли изучить реакцию на протяжении гораздо более длительного периода времени.

В этом опыте ученые подвергли пластиковую пленку, изготовленную из углеводородного соединения полистирола в качестве источника углерода, воздействию экстремальных давлений и температур, схожих с теми, что наблюдаются глубоко в недрах ледяных планет.

Изображение демонстрирует алмазный дождь внутри планеты, состоящий из алмазов, проходящий сквозь лед. Давление и температура постоянно повышаются по мере продвижения алмазов вовнутрь планеты. Изображение: European XFEL
p> Высокое давление было создано путем сжатия пленки между кончиками двух алмазов с использованием «ячейки с алмазными наковальнями», в которой наковальни действуют как мини-тиски, способные поддерживать давление практически бесконечно. Затем пленку подвергли воздействию нескольких доз высокоэнергетического рентгеновского излучения, генерируемого XFEL, чтобы нагреть ее до более чем 2200 °С, имитируя экстремальные условия глубоко внутри этих планет. В этих экстремальных условиях из пленки образуются алмазы, и этот процесс происходит так же, как и в недрах планет.

Затем исследователи использовали рентгеновские импульсы от XFEL, чтобы наблюдать, когда и как в ходе экспериментов формировались алмазы. Давление и температура, при которых образовались алмазы, позволили предсказать, на какой глубине они могут формироваться уже внутри планеты.

Экспериментальная станция HED в XFEL. Изображение: European XFEL

Изучая нагретые углеводороды в течение более длительных периодов времени, исследователи обнаружили, что образование алмазов происходит при еще более низких давлении и температуре, чем предполагалось ранее. В случае с Ураном и Нептуном это означает, что алмазный дождь может формироваться на меньшей глубине, чем первоначально считалось, и может оказывать более сильное влияние на образование их необычных магнитных полей.

В отличие от магнитного поля Земли, поля вокруг этих ледяных планет не симметричны и не простираются от полюса до полюса. Это позволяет предположить, что поля генерируются не в ядре планеты, а в тонком слое проводящего материала.

После образования частицы алмаза могут увлекать за собой газ и лед, спускаясь из внешних слоев планеты во внутренние и вызывая ледяные потоки. 

Результаты нового исследования показывают, что алмазы образуются над слоем проводящего льда, который они перемешивают при падении. Возникающие в результате токи действуют как своего рода динамо-машина, приводящая в движение магнитные поля планет.

Также исследование позволяет предположить, что алмазный дождь будет возможен на газовых планетах, которые меньше Нептуна и Урана – так называемых «мини-Нептунах», одном из наиболее распространенных типов экзопланет за пределами Солнечной системы.

Теперь авторы работы планируют провести аналогичные эксперименты, которые еще больше приблизят их к пониманию того, как именно формируется алмазный дождь и каково его влияние на свойства других планет.