Как переделать планету атом за атомом

Когда планета – не планета? Когда идут гелиевые дожди? Как вода одновременно может быть в твердом и жидком состоянии? Чтобы ответить на эти вопросы, ученые берут вещества, из которых обычно состоят планеты, подвергают их экстремальному давлению и смотрят, что получится.

В одной из самых технологически продвинутых лабораторий всех времен включают высокоэнергетический лазер. Он испускает импульс света, который существует доли секунды, и в течение этого времени воздействует на микроскопические количества наиболее распространенных веществ во Вселенной.

Такая ударная волна может создать никогда ранее не виданные состояния вещества, существующие в недрах планет. Либо могут получиться минералы, рассыпанные в кратерах на спутниках, или вещества, которыми нашпигованы астероиды и метеориты, как тщательные хронисты фиксирующие историю нашего хаотического прошлого.

Звучит как цитата из научной фантастики — причем, и на большом экране картинка напоминает сцену из фантастического фильма. Но сегодня такие эксперименты – это реальная наука, которая делается не в одной, а во многих лабораториях высоких энергий во всем мире. Такая техника – один из вариантов динамического сжатия, отличающегося высокой скоростью и интенсивностью. При стремительном сжатии планетарного вещества воспроизводятся процессы, протекающие в недрах планет и при высокоэнергетических событиях, например, при столкновениях и ударах небесных тел.

«Мы стали размышлять, как реально можно создать в лаборатории такие условия, которые существуют в недрах планеты», сказала Арианна Глисон, специалист по экспериментальной физике минералов в Национальной ускорительной лаборатории SLAC и в Стэнфордском университете в Менло-Парк, штат Калифорния. -  «берем самые бесхитростные минералы – кварц, полевой шпат — и задаемся вопросом: как они выглядят, каковы их свойства при экстремальных условиях?»

Водород, метан, вода, силикаты, железо — все эти обычные материалы, входящие в состав планеты, могут менять в ее недрах агрегатное состояние, в зависимости от температуры и давления. От таких изменений на атомном уровне может зависеть, будет ли у планеты ядро и мантия, будет ли магнитное поле, выдержит ли планета катастрофическое столкновение, и сможет ли на ней существовать жизнь.

На протяжении более чем полувека ученые ставили эксперименты по динамическому сжатию и смогли выяснить, что происходит с обычным планетарным веществом в центре Земли. Возможность изучать в лаборатории внутреннее устройство более крупных планет и экзопланет появилась совсем недавно.  

Алмазы, пушки и лазеры

До того, как сложились все мобильные элементы динамических экспериментов с давлением, в ходе статических экспериментов изучалось постоянное давление. При этих динамических экспериментах ученые «искусственно создают такие условия с высокой температурой и высоким давлением… но далее поддерживают эти условия на протяжении некоторого периода времени: минут, часов и даже лет», - говорит Глисон.

Инструмент, чаще всего используемый в таких целях, называется ячейка с алмазными наковальнями, где образцы буквально стискиваются между камнем и наковальней. После того, как к образцу приложено давление, ученые могут отслеживать любые изменения в его химии, молекулярной или кристаллической структуре, визуальных свойствах и фазе.

«Научное сообщество уже почти 50 лет работает с давлениями порядка сотни гигапаскалей, то есть, 1 миллиона атмосфер», — говорит Раймонд Джинлоз, ученый-планетолог из Калифорнийского университета в Беркли (давление на поверхности Земли составляет 1 атмосферу). – «сотня гигапаскалей – важная отметка в нашей дисциплине, поскольку примерно соответствует давлению на границе ядра и мантии Земли». В центре ядра Земли давление примерно втрое выше, и такое давление вполне достижимо в новой, уменьшенной ячейке с алмазными наковальнями, где та же сила, что и в более ранней модели прикладывается к более мелкому образцу и, следовательно, давление удается увеличить.

«Столько энергии выдает молния за долю секунды». «Статическое сжатие определенно закладывает основу таких работ и является опорой для опытов, проводимых сегодня в физике минералов», – говорит Глисон. Но и прочность алмаза, и миниатюрность образца не безграничны. А динамическое сжатие позволяет достичь таких давлений, которые существуют в ледяном гиганте, суперземле и газовом гиганте, позволяет изучать такие события как ударные контакты, при которых все быстро меняется. «Речь о том, чтобы радикально ускорить приложение давления».

«Когда вся эта дисциплина еще только зарождалась», говорит Джун Уикс, «в подвалах НИИ нашлись большие газовые пушки, применявшиеся для измерений, связанных с уравнениями состояния». Снаряды на очень высокой скорости врезаются в образец-мишень, заключенный в испытательной камере, а затем ученые наблюдают, как волны давления распространяются по мишени. После этого исследуются изменения.

Уикс, занимающаяся планетологией в Университете Джона Хопкинса, Балтимор, штат Мэриленд, ставит эксперименты по сжатию образцов лазером, изучая таким образом, как атомы и молекулы взаимодействуют глубоко внутри планет. В последние 20 лет на переднем крае этой дисциплины развивается сжатие с использованием оптических лазеров высоких энергий, как например в Национальной Ускорительной Лаборатории SLAC.

«Фокусируем [лазер] на образце, и он превращает поверхность образца в плазму, а эта плазма расширяется и направляет равновеликую противоположную волну давления на образец», – объясняет Уикс. Все это происходит за несколько миллиардных долей секунды.

При помощи лазеров и импульсных источников энергии «удалось изучать, что происходит с веществами при давлениях до миллиарда атмосфер… что в тысячу раз превышает величины, достижимые при статическом сжатии», объясняет Джелноз. Чем короче лазерный импульс, тем большего давления можно достичь с его помощью, так как образец одномоментно претерпервает более сильное воздействие.

Гелиевые дожди подсвечивают Сатурн

На Земле дождь состоит из жидкой воды, а на Сатурне – из жидкого гелия. Это известно благодаря экспериментам с использованием лазера; такие эксперименты поставлены в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций в Национальной Ливерморской Лаборатории им. Лоуренса. Они помогли определить, когда водород и гелий смешиваются друг с другом, а когда разделяются; это свойство называется смешиваемостью.

«Водород – самый распространенный элемент во Вселенной, он так или иначе присутствует в составе любого планетарного тела», как в чистом виде, так и в соединениях, например, в воде или метане, говорит Такуо Окучи, адъюнкт-профессор в Институте Планетарного Вещества при университете Окаямы в Японии. Он поясняет, что химическое состояние водорода может очень, очень отличаться в зависимости от условий окружающей среды, [в сущности] показателей температуры и давления».

«Такие изменения на уровне атомов отражаются в планетарном масштабе». По словам Окучи, при давлениях, существующих в недрах Юпитера и Сатурна, водород становится металлическим, то есть, атомы водорода располагаются столь плотно, что их электроны перекрываются друг с другом. Жидкий металлический водород поддерживает магнитное поле внутри этих газовых гигантов (Окучи уточняет, что внутри Урана и Нептуна в металлическое состояние переходит вода.)

«При достаточно высоких давлениях и подходящей температуре водород и гелий растворяются друг в друге, образуя однородную жидкость», говорит Сара Стюарт, планетолог из Калифорнийского университета в Дэвисе. - «При таком высоком давлении они уже не газообразные, но мы называем их жидкостью. Есть такой температурный предел, ниже которого гелий образует капли и в виде таких осадков выпадает в недра планеты».

Джелноз сравнивает такую смесь с маслом и водой.

Сатурн примерно на 50% ярче, чем должен быть в своем возрасте и, как объясняет Стюарт, дело именно в гелиевых дождях: они идут на Сатурне, а на Юпитере их нет. «Такая идея существует уже некоторое время, но лишь сравнительно недавно появилась возможность создать такие условия в лаборатории».

На Нептуне небо в алмазах

На ледяных гигантах, Уране и Нептуне, выше доля метана (CH₄), воды (H₂O) и аммиака (NH₃) чем на газовых гигантах, и эксперименты с динамическим сжатием показали, что там дожди еще более странные. Команда во главе с Домиником Краусом исследовала, что бывает с чистыми углеводородами, когда они попадают в условия, которые могут существовать в недрах такой планеты – конкретно, Нептуна.

«Мы зафиксировали формирование наноалмазов», – говорит Краус. Давление, создаваемое при наносекундном лазерном сжатии, разрывает молекулярные связи между углеродом и водородом, в результате чего углерод спекается в нанометровые алмазы. Это открытие подтвердило давние теоретические выкладки.

Подобные эксперименты подчеркивают, насколько лазерное сжатие целесообразнее, чем ячейка с алмазными наковальнями. В экспериментах обоих типов используются источники ярчайших рентгеновских лучей, позволяющих анализировать микроструктуру образцов до, во время и после сжатия. Но, когда рассматриваешь сигнатуру крошечных алмазов, то удобнее, если в качестве инструмента сжатия алмазы не применяются.

Более того, как указывает Окучи, водород «реагирует с любым окружающим веществом», в том числе, с той капсулой, в которой содержится капсула с лазером. Так же реагирует и вода, также распространенная на разных планетах.  «При помощи сильнейшего лазерного пучка мы сжимаем материал за считанные наносекунды», и за это время можно сразу же выполнить несколько измерений. «Это наилучший способ проводить измерения в столь экстремальных условиях, без какого-либо загрязнения или химических реакций».

Брать за основу результаты наносекундных экспериментов и экстраполировать их до планетарных масштабов – это порой «зыбкое» дело. «Определенно, какие-то вещи, происходящие за наносекунды, будут происходить и на протяжении миллионов лет», – говорит Краус. «Вопрос в том, что еще такого может произойти за это время, чего мы не замечаем в доступных нам микромасштабах?»

Ультра-краткие периоды, в течение которых мы способны доводить образцы планетарного вещества до планетарного давления, по мнению Уикс также являются «самым слабым местом» этого метода. «Мы пытаемся задавать вопросы о… том, как развивается ситуация в недрах планеты, причем, в реальности такие процессы занимают целую вечность, а в эксперименте – одну наносекунду.… Чем более экстремальных состояний мы пытаемся достичь, тем короче будет временное окно, доступное для их изучения».

Твердожидкая вода осложняет изучение газовых гигантов

Если мы сможем лучше понять, что происходит с веществом внутри Урана и Нептуна, это также поможет нам в изучении самого распространенного типа экзопланет.

Краус отмечает, что среди экзопланет «наблюдается изобилие мини-Нептунов, которые, вероятно, весьма похожи на наши Уран и Нептун, но лишены такой толстой водородно-гелиевой атмосферы. На самом деле там такая плотная ледяная каша».

Эксперименты, опубликованные в 2018 году, что «льдистость» ледяных гигантов – на самом деле, более сложное явление, чем считалось ранее. «Мы обнаружили, что вода переходит в такое необычное суперионное состояние лишь при высоком давлении и при таких температурах, которые характерны для глубин Урана и Нептуна», говорит Мариус Милло, физик из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе. «Суперионный лед – это новое состояние вещества».

Милло руководил исследовательской группой, открывшей это ранее не известное агрегатное состояние вещества. Сначала они попробовали использовать ячейку с алмазными наковальнями, а затем работали в лаборатории Omega Laser Facility Рочестерского университета, где смогли искусственно кристаллизовать воду в таком новом состоянии.

«Суперионный лед – это такое состояние воды, в котором атомы кислорода, входящие в состав знакомой нам молекулы H₂O, образуют кристаллическую решетку, как и в обычном льду», – говорит Милло. - «Но, в отличие от того льда, который мы видели в кубиках, в суперионном льду атомы водорода свободно движутся в кристаллической решетке из атомов кислорода. В таком состоянии водород напоминает жидкость внутри твердого кристалла, образованного атомами кислорода. Это очень необычное твердожидкое состояние».

При давлении, устанавливающемся в мантии ледяного гиганта (около 200 миллионов атмосфер), суперионный лед тает при температуре около 4 700° C, гораздо выше, чем температура окружающей среды. В  новом исследовании команда подтвердила свойства этого нового состояния льда. «Вполне возможно, что суперионный лед не тает даже в самых глубинах Нептуна и Урана», считает Милло, поэтому ледяные гиганты могут оказаться вполне твердыми.

Атомы текучего водорода обладают электрическим зарядом, поэтому воздействуют с магнитным полем планеты, а, возможно, и влияют на него. Более того, структура и перенос энергии внутри такой планеты могут влиять и на другие наблюдаемые там явления, например, на погоду.

Применить эти новые открытия при изучении ледяных гигантов сложно из-за острого дефицита наблюдаемых данных. Уран и Нептун были мимолетно исследованы лишь в 1980-е, когда рядом с ними прошел Вояджер-2. Поэтому мы не знаем подробностей о гравитации этих планет, их магнитных полях, погоде и составе, а все эти данные помогли бы лучше соотнести теорию и эксперименты.

В настоящее время уже прорабатываются возможности будущей космической миссии к ледяному гиганту.  Компрессионные эксперименты помогают лучше представить, в каких условиях может оказаться зонд, подсказать, какие данные следует собирать во время миссии, а также трактовать эти наблюдения в верном контексте.

Проводить эксперименты с высоким давлением, «беря за исходный материал ледяные гиганты из нашей системы – уже очень сложная задача», говорит Краус. Чтобы затем применить полученные знания при изучении экзопланет, «нужно учитывать те ограничения, что уже выявлены для «наших» планет и подумать, какие еще ограничения могут возникнуть».

Мы как будто разобрали Землю и собрали ее заново

Динамическое сжатие не только помогает уточнить наши представления о том, что сейчас происходит внутри планет, но и бесценно для понимания внезапных и краткосрочных высокоэнергетических событий, как, например, удары астероидов, способные основательно сбить с курса эволюцию целой планеты.

Рассмотрим систему Земля-Луна. Химические сигнатуры земных и лунных пород позволяют предположить, что давным-давно произошло серьезное импактное событие, из-за которого часть Земли была буквально снесена, и из этого материала образовалась Луна. Но, сочетая минералогию, физику высоких давлений и компьютерные симуляции, удалось выяснить, что через некоторое время после этого столкновения Земля ненадолго утратила статус планеты.

А превратилась в синестию: расплавленный текучий железокаменный сгусток, который мог напоминать по форме бублик или летающую тарелку. «Мы привыкли считать, что атмосфера отделена от каменных пород», – говорит Стюарт, «понимаем под атмосферой ту газовую смесь, которой дышим. Пытаясь понять, что произошло после колоссального столкновения, мы учитываем в наших расчетах смешиваемость внешних областей синестии. Металлы, камень и атмосфера – все это было растворено друг в друге и напоминало по свойствам жидкость».

Форма Земли в состоянии синестии постоянно менялась, и различные ее части вращались с разной скоростью, что отличает синестию от обычной планеты. «Мы изучали конкретные термодинамические состояния и динамику их изменения, чтобы понять, какие вещества при этом образовывались», – говорит  Стюарт. - «Это просто открыло нам глаза, показав, что планета может превратиться в совершенно особенное тело».

«Компьютерные симуляции крайне важны для понимания импактных феноменов, и мы не можем воссоздать все реальные условия в лаборатории, моделируя столкновения как таковые, поскольку не располагаем гравитационными мощностями, которые позволили бы смоделировать событие планетарного масштаба. Мы собираем базовые материаловедческие данные о породах и минералах», но симуляции и моделирование ab initio незаменимы для понимания роли этих событий в планетарной эволюции.

Многие планеты внутри рыхлые

Земля обзавелась Луной и вновь стала планетой. Но изучение условий, при которых смешиваются железо и силикаты, поднимает новые вопросы о том, а в самом ли деле в недрах планеты они образуют отдельные слои? В стандартной модели планеты, так, как пишут в учебниках, железо, силикаты и атмосфера внутри планеты образуют ярко выраженную слоистую структуру. На этом основаны наши теории о том, как внутри планеты происходит перенос тепла и генерируется магнитное поле. Но эксперименты с железокремниевыми сплавами подсказывают, что эти границы могут быть гораздо более зыбкими.

«Наши представления о слоистых планетах могут быть совершенно неверны». «Планеты-суперземли могут выглядеть подобно Земле — железное ядро, дальше скалистые породы и атмосфера, более плотная, чем у нас — или весьма отличаться от Земли в том, что камень и железо в их недрах могут смешиваться друг с другом в виде расплава, и четко выраженного металлического ядра у них не будет», – говорит Стюарт.

«Далее такие же сложности возникают на границе условной суши и атмосферы. В недрах такой планеты могут достигаться настолько высокие показатели температуры и давления, что граница атмосферы и поверхности также становится зыбкой: часть атмосферы растворяется в магме, а магма частично рассеивается в атмосфере».

«Наше представление о слоистых планетах может оказаться полностью неверным. Мы пока не можем измерить эти величины экспериментально, но в течение ближайших 10 лет сможем», – считает Уикс.

Импакты и хронология Солнечной системы

Примерно 4 миллиарда лет назад во внутренней части Солнечной системы шла настоящая каменная бомбардировка. Радиоизотопная датировка минералов, образовавшихся при таких столкновениях, позволяет оценить, когда это происходило, а следы ударных контактов в зернах минералов помогают понять силу удара. «Циркониевый век или бадделеитовый век очень важны для нас при периодизации всей истории» этой бомбардировки», - указывает Аи-Чэн Чжан, профессор минералогии в Нанкинском университете в Китае. – «Но для некоторых циркониевых руд не удается уверенно определить возраст».

Чжан изучает минералы из образцов, взятых с астероидов, Марса и Луны; такие минералы образуются под действием высокого давления при ударных событиях. «Мы хотим понять, почему в импактной сигнатуре от образца к образцу прослеживаются некоторые отличия. Связаны ли они со скоростью взаимодействия, либо с удаленностью гелиоцентрической орбиты от Солнца? В настоящее время мы не можем сказать с уверенностью», – говорит Чжан. «Эта информация критически важна, чтобы выстроить модель для понимания динамики Солнечной системы, в особенности внутренней части Солнечной системы».

Мы в ограниченной степени понимаем эти процессы, в меру того, что знаем о запуске радиоизотопных часов в минералах и о том, какие процессы могут обнулять эти часы. Чжан, стремясь до этого докопаться, анализирует метеориты и образцы, доставленные из космических миссий. «Мы по-прежнему пытаемся выяснить, какие импактные события пришлись на циркониевый или бадделеитовый век, опираясь на наши минералогические и геохронологические исследования», — сказал он. Это позволит понять, протекала ли импактная эра во внутренней части Солнечной системы в один конкретный период или волнами.  

Усилия, связанные с уточнением импактной истории солнечной системы, «призваны ответить на вопрос о жизнепригодности молодой Земли и других небесных тел», — говорит Стюарт. — «Можно присмотреться к импактным событиям и сказать, что, возможно, именно из-за них Земля, Марс и Венера такие разные, но мы в самом деле не можем объяснить, как это произошло».

Расширяющаяся дисциплина компрессионной физики

«В зависимости от диапазона давлений и интересующего нас вопроса», – говорит Уикс, — «у нас в распоряжении всевозможные техники нагнетания высокого давления и всевозможные техники зондирования получающихся состояний. И наши методы становятся все лучше». Те или иные научные комплексы могут быть ориентированы преимущественно на иные области физики высоких энергий, например, на ядерную физику или физику высоких энергий, «но нам никто не мешает пристроить туда же наши камни, а потом попытаться найти ответы на наши вопросы».

Новые приборы помогают не только выйти на новые пределы давления, но и извлекать из каждого эксперимента гораздо больше данных, и извлекать быстрее. Для сравнения: первые установки по лазерному сжатию могли делать всего несколько залпов в день, а на современных установках тестировать образцы можно раз в несколько минут.

«Физика минералов вот-вот столкнется с проблемой больших данных», – считает Уикс, — «но это не проблема, а возможность». Некоторые команды уже примериваются, как можно проектировать эксперименты с учетом возможностей машинного обучения, и не только находить наилучшие инструменты для ответа на вопрос, но и расставлять приоритеты, выбирая, какие вопросы задать прежде всего.

Некоторые экспериментаторы считают, что на ближайших этапах нужно протестировать более реалистичные смеси планетарных материалов. В конце концов, ледяные гиганты состоят не только из воды и углеводородов. Другие предлагают обращать внимание на ограниченный набор свойств вещества, в частности, на его электропроводимость, вязкость и скорость охлаждения, и искать, как эти величины связаны с крупномасштабными свойствами планет – их яркостью, погодой и магнитными полями. Третьи хотят извлечь новую информацию из сравнительно хорошо изученных веществ, вооружившись уникальными свойствами лазеров, более точно измеряя образцы, подвергнутые сжатию, используя более продвинутые эксперименты для сбора данных.

Но экспериментаторы, работающие со сверхвысокими давлениями, не смогут сами ответить на эти вопросы.  «Мы определенно не сможем собрать достаточно информации по различным химическим соединениям, чтобы решить наши задачи, опираясь на одни лишь лабораторные данные», – говорит Стюарт. — «Нам абсолютно необходимо моделирование. А затем более точные ограничения, в зависимости от того, что подскажут нам наблюдатели».

Благодарности

Сайт Eos, выпустивший оригинал этой публикации, благодарит Себастьена Меркеля, научного консультанта по физике минералов и горных пород, за разработку серии статей по экспериментам из области высоких температур и высоких давлений и, в частности, за подготовку этой статьи.