Сибирские ученые проверили гипотезу об «алмазных дождях» на Уране и Нептуне

Ячейка высокого давления с алмазными наковальнями. Фото Кирилла Сергеевича

Сотрудники Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН провели серию экспериментов по изучению стабильности метана под воздействием высоких давлений и температур, соответствующих условиям внутри «ледяных гигантов» — Урана и Нептуна. С помощью алмазных наковален и лазерного нагрева удалось воссоздать состояния метана, при которых зарубежными учеными предполагался его распад на водород и углерод в форме алмаза. Однако детали эксперимента выявили недостатки модели, основанной на предшествующих исследованиях. Статья об этом опубликована в журнале ACS Earth and Space Chemistry.

В начале 1980-х гг. американские ученые, разрабатывая модель строения ледяных гигантов Урана и Нептуна, предположили, что соединения-льды, к которым астрономы относят воду, метан и аммиак, в этих планетах находятся в виде глубинной жидкой оболочки. В ходе исследований возник вопрос о состоянии метана — соединения, состоящего из одного атома углерода и четырех атомов водорода, — в условиях недр ледяных гигантов, для которых характерны высокие давления и температуры, и, в частности, о возможности его разложении под воздействием этих параметров на углерод и водород. Ученые допустили, что в ходе этого процесса в недрах Урана и Нептуна могут кристаллизоваться и оседать в виде «дождей» настоящие алмазы.

Теоретическая работа в дальнейшем привела к экспериментам для подтверждения или опровержения этой гипотезы. Алмаз считается самым твердым веществом из известных человечеству, в науке он используется для создания в экспериментах высоких давлений, которые могут превышать миллионы атмосфер. В ходе проведения опытов зарубежные исследователи загружали метан в алмазные наковальни и нагревали его лазером. Так как метан слабо поглощает излучение лазера, необходимо было добавить нагреватель — инертный материал, который бы не вступал в реакцию с образцом, но хорошо поглощал изучение лазера, — в качестве такого материала использовали платину. После нагрева метана при высоком давлении в присутствии платины у предшествующих исследователей начинали кристаллизоваться алмазы.

«Мы занимаемся науками о Земле и других планетах, в частности, нас интересует, как вещество ведет себя в условиях высоких давлений, — это важно, так как во Вселенной бОльшая часть вещества находится именно в таких условиях. Мы также решили подключиться к экспериментам и проверить, действительно ли возможно образование алмазов из метана при таких условиях. Нас насторожило, что в прошлых работах не контролировалось химическое состояние нагревателя из платины в момент реакции, то есть его инертность принималась на веру. С использованием источника синхротронного излучения в Гамбурге мы смогли воспроизвести опыты зарубежных коллег и наблюдали образование алмаза при разложении метана в присутствии платины. В то же время оказалось, что в процессе нагрева платина перестает быть инертной и реагирует с метаном. Мы выявили, что этот металл “отбирает” водород у метана, образуя гидрид платины — новое химическое соединение, а оставшийся углерод выделяется в виде алмаза. То есть происходит не просто разложение метана, а новая химическая реакция, которая маловероятна в условиях недр ледяного гиганта», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории метаморфизма и метасоматизма ИГМ СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Сергей Владимирович Ращенко.

Для подтверждения своих выводов новосибирские исследователи провели другую серию экспериментов, где вместо платины использовали золото в качестве металлического нагревателя, так как достоверно известно, что этот элемент не образует гидридов при высоком давлении. Ученые нагрели метан в присутствии золота под давлением в алмазных наковальнях и зафиксировали отсутствие кристаллизации алмазов, то есть в таких чистых с точки зрения химических реакций условиях алмазы не образуются.

«Подобные эксперименты невозможны без использования синхротронного излучения, образцы очень маленькие, и нужен пучок размером не больше нескольких микрон. Мы планируем достичь таких показателей на одной из станций первой очереди Центра коллективного пользования “Сибирский кольцевой источник фотонов” — “Микрофокус”. Это позволит достичь новых результатов в этой тематике. Сегодня японские коллеги также проводят эксперименты в области образования алмазов в условиях недр ледяных гигантов. Они добавили к метану кислород в виде воды, также имеющейся на ледяных гигантах, и смогли достичь образования алмазов в естественных условиях недр этих планет. Эти результаты также подтверждаются нашими отечественными коллегами, занимающимися математическим моделированием», — отметил исследователь.

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий