Ученые впервые экспериментально воспроизвели физические условия, при которых в недрах ледяных гигантов — Нептуна и Урана — может идти настоящий «алмазный дождь». Исследование также показало, как полученные данные могут помочь увеличить выход энергии в экспериментах по термоядерному синтезу.

Работу провели физики Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) на лазерной установке Omega в Рочестерском университете. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

В ходе эксперимента ученые испарили внешний слой алмазного образца мощным лазерным импульсом. Возникшая ударная волна распространилась через алмаз, сжав его до давления, более чем втрое превышающего давление в центре Земли. Температура при этом на короткое время достигла значений, сопоставимых с температурой поверхности Солнца. Экстремальные условия сохранялись лишь около миллиардной доли секунды.

За происходящим ученые наблюдали с помощью различных датчиков, в том числе сверхбыстрой рентгеновской дифракции. Полученные данные позволили разрешить давний спор о температуре плавления алмаза. Предыдущие эксперименты и расчеты, основанные на квантовой механике, расходились между собой примерно на 20%, что соответствовало разнице более чем в 1000 кельвинов.

Новые измерения показали, что экспериментально определенная температура плавления согласуется с современными квантово-механическими моделями. Однако еще более интересным результатом стало обнаружение того, что при определенных экстремальных условиях твердый алмаз оказывается менее плотным, чем жидкий углерод.

Именно это свойство может играть ключевую роль в формировании «алмазного дождя» внутри ледяных гигантов. В глубинах Нептуна и Урана давление и температура настолько высоки, что углеводороды могут разрушаться, а образующийся углерод — превращаться в алмаз. Поскольку твердый алмаз плотнее окружающей среды, его кристаллы могут погружаться в более глубокие слои планеты.

Падающие в недра алмазы при этом выделяют тепло из-за трения и гравитационного движения. Ученые считают, что этот процесс может участвовать в формировании избыточного внутреннего тепла Нептуна, который излучает в космос значительно больше энергии, чем получает от Солнца.

Эксперимент имеет значение не только для планетологии. Алмазные капсулы используются в установках инерциального термоядерного синтез. Исследователи пришли к выводу, что для получения необходимых условий в такой капсуле может быть достаточно более медленного и менее мощного первоначального импульса.

Согласно расчетам авторов, такой подход потенциально способен увеличить количество энергии термоядерной реакции примерно в три раза по сравнению с энергией, выделяемой топливом внутри капсулы.