stringtranslate.com

Внеземные алмазы

Хотя алмазы на Земле редки, внеземные алмазы (алмазы, образовавшиеся за пределами Земли) очень распространены. Алмазы настолько малы, что содержат всего около 2000 атомов углерода, в изобилии встречаются в метеоритах , и некоторые из них образовались в звездах до того, как возникла Солнечная система . [1] Эксперименты под высоким давлением показывают, что большое количество алмазов образуется из метана на ледяных гигантских планетах Уране и Нептуне , в то время как некоторые планеты в других планетных системах могут быть почти чистыми алмазами. [2] Алмазы также встречаются в звездах и, возможно, были первым минералом, который когда-либо образовался.

Метеориты

Художественное представление множества крошечных бриллиантов рядом с горячей звездой.

В 1987 году группа ученых исследовала несколько примитивных метеоритов и обнаружила зерна алмаза диаметром около 2,5 нанометров ( наноалмазы ). В них были захвачены благородные газы , изотопная сигнатура которых указывала на то, что они прибыли из-за пределов Солнечной системы . Анализы дополнительных примитивных метеоритов также обнаружили наноалмазы. Запись об их происхождении была сохранена, несмотря на долгую и бурную историю, которая началась, когда они были выброшены из звезды в межзвездную среду , прошли через формирование Солнечной системы , были включены в планетарное тело, которое позже было разбито на метеориты и, наконец, упало на поверхность Земли. [3]

В метеоритах наноалмазы составляют около 3 процентов углерода и 0,04% от общей массы. [4] [3] Зерна карбида кремния и графита также имеют аномальные изотопные узоры. В совокупности они известны как пресолнечные зерна или звездная пыль , и их свойства ограничивают модели нуклеосинтеза в гигантских звездах и сверхновых . [5]

Неясно, сколько наноалмазов в метеоритах на самом деле из-за пределов Солнечной системы. Только очень малая их часть содержит благородные газы досолнечного происхождения, и до недавнего времени не было возможности изучать их по отдельности. В среднем соотношение углерода-12 к углероду-13 соответствует таковому в атмосфере Земли , в то время как соотношение азота-14 к азоту-15 соответствует таковому в атмосфере Солнца . Такие методы, как атомно-зондовая томография, позволят исследовать отдельные зерна, но из-за ограниченного числа атомов изотопное разрешение ограничено. [5]

Если большинство наноалмазов образовалось в Солнечной системе, то возникает вопрос, как это возможно. На поверхности Земли графит является стабильным углеродным минералом, в то время как более крупные алмазы могут образовываться только при таких температурах и давлениях, которые встречаются глубоко в мантии . Однако наноалмазы близки к молекулярным размерам: один с диаметром 2,8 нм, медианный размер, содержит около 1800 атомов углерода. [5] В очень мелких минералах поверхностная энергия важна, и алмазы более стабильны, чем графит, потому что структура алмаза более компактна. Кроссовер стабильности находится между 1 и 5 нм. При еще меньших размерах можно обнаружить множество других форм углерода, таких как фуллерены , а также алмазные ядра, обернутые в фуллерены. [3]

Наиболее богатыми углеродом метеоритами, с содержанием до 0,7% по массе, являются уреилиты . [6] : 241  У них нет известного родительского тела, и их происхождение является спорным. [7] Алмазы часто встречаются в сильно потрясенных уреилитах, и большинство из них, как полагают, образовалось в результате удара либо о Землю, либо о другие тела в космосе. [6] [8] : 264  Однако гораздо более крупные алмазы были обнаружены во фрагментах метеорита под названием Almahata Sitta , найденного в Нубийской пустыне Судана . Они содержали включения железо- и серосодержащих минералов, первые включения, обнаруженные во внеземных алмазах. [9] Они были датированы кристаллами возрастом 4,5 миллиарда лет и были образованы при давлении более 20 гигапаскалей. Авторы исследования 2018 года пришли к выводу, что они, должно быть, произошли от протопланеты, уже не целой, с размером между Луной и Марсом. [10] [11]

Инфракрасное излучение из космоса, наблюдаемое Инфракрасной космической обсерваторией и космическим телескопом Spitzer , ясно показало, что углеродсодержащие молекулы повсеместно распространены в космосе. К ним относятся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), фуллерены и диамондоиды (углеводороды, имеющие такую ​​же кристаллическую структуру, как алмаз). [3] Если бы пыль в космосе имела похожую концентрацию, ее грамм нёс бы до 10 квадриллионов из них, [4] но пока что мало доказательств их присутствия в межзвёздной среде; их трудно отличить от диамондоидов. [3]

Планеты

Солнечная система

Уран , снимок которого сделал «Вояджер-2» в 1986 году.

В 1981 году Мартин Росс написал статью под названием «Ледяной слой на Уране и Нептуне — алмазы в небе?», в которой он предположил, что огромные количества алмазов могут быть найдены внутри этих планет. В Ливерморском институте Лоуренса он проанализировал данные по ударно-волновому сжатию метана (CH 4 ) и обнаружил, что экстремальное давление отделило атом углерода от водорода, освободив его для образования алмаза. [12] [13]

Теоретическое моделирование Сандро Скандоло и других предсказало, что алмазы будут формироваться при давлении более 300 гигапаскалей ( ГПа), но даже при более низком давлении метан будет разрушаться и образовывать цепи углеводородов. Эксперименты под высоким давлением в Калифорнийском университете в Беркли с использованием ячейки с алмазной наковальней обнаружили обе структуры при давлении всего 50 ГПа и температуре 2500 кельвинов, что эквивалентно глубине 7000 километров под верхними слоями облаков Нептуна. Другой эксперимент в Геофизической лаборатории показал, что метан становится нестабильным при давлении всего 7 ГПа и 2000 кельвинов. После формирования более плотные алмазы будут тонуть. Этот «алмазный дождь» будет преобразовывать потенциальную энергию в тепло и способствовать конвекции , которая генерирует магнитное поле Нептуна. [14] [12] [15]

Есть некоторые неопределенности в том, насколько хорошо экспериментальные результаты применимы к Урану и Нептуну. Вода и водород, смешанные с метаном, могут изменить химические реакции. [14] Физик из Института Фрица Габера в Берлине показал, что углерод на этих планетах недостаточно сконцентрирован, чтобы образовать алмазы с нуля. Предположение о том, что алмазы могут также образовываться на Юпитере и Сатурне, где концентрация углерода намного ниже, считалось маловероятным, поскольку алмазы быстро растворялись бы. [16]

Эксперименты по изучению превращения метана в алмазы обнаружили слабые сигналы и не достигли температур и давлений, ожидаемых на Уране и Нептуне. Однако недавний эксперимент использовал ударный нагрев лазерами для достижения температур и давлений, ожидаемых на глубине 10 000 километров под поверхностью Урана. Когда они проделали это с полистиролом , почти каждый атом углерода в материале был включен в кристаллы алмаза в течение наносекунды. [17] [18]

Внесолнечный

На Земле природная форма карбида кремния — редкий минерал муассанит . [19]

В Солнечной системе каменистые планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс на 70–90% состоят из силикатов по массе. Напротив, вокруг звезд с высоким соотношением углерода к кислороду могут вращаться планеты, состоящие в основном из карбидов, причем наиболее распространенным материалом является карбид кремния . Он имеет более высокую теплопроводность и более низкий коэффициент теплового расширения, чем силикаты. Это привело бы к более быстрому кондуктивному охлаждению вблизи поверхности, но ниже конвекция могла бы быть по крайней мере такой же интенсивной, как и на силикатных планетах. [20]

Одной из таких планет является PSR J1719-1438 b , спутник миллисекундного пульсара . Она имеет плотность, по крайней мере, вдвое больше, чем у свинца , и может состоять в основном из сверхплотного алмаза. Считается, что это остаток белого карлика после того, как пульсар потерял более 99 процентов своей массы. [2] [21] [22]

Другая планета, 55 Cancri e , была названа «суперземлей», потому что, как и Земля, это каменистая планета, вращающаяся вокруг звезды, похожей на Солнце, но ее радиус вдвое больше, а масса в восемь раз больше. Исследователи, открывшие ее в 2012 году, пришли к выводу, что она богата углеродом, что делает вероятным изобилие алмазов. [23] Однако более поздние анализы с использованием нескольких измерений химического состава звезды показали, что в звезде на 25 процентов больше кислорода, чем углерода. Это делает менее вероятным, что сама планета является углеродной планетой. [24]

Звезды

Было высказано предположение, что алмазы существуют в богатых углеродом звездах, особенно белых карликах; Карбонадо , поликристаллическая смесь алмаза, графита и аморфного углерода, которая является одной из самых твердых природных форм углерода, также присутствует [25] и может происходить из сверхновых и белых карликов . [26] Белый карлик BPM 37093 , расположенный в 50 световых годах (4,7 × 10 14  км) от нас в созвездии Центавра , имеет диаметр 2500 миль (4000 км) и может иметь алмазное ядро, что делает его одним из крупнейших алмазов во Вселенной. По этой причине ему дали прозвище Люси . [27] [28]

В 2008 году Роберт Хазен и его коллеги из Института Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, опубликовали статью «Эволюция минералов», в которой они исследовали историю образования минералов и обнаружили, что разнообразие минералов со временем менялось по мере изменения условий. До образования Солнечной системы существовало лишь небольшое количество минералов, включая алмазы и оливин . [29] [30] Первыми минералами могли быть небольшие алмазы, образовавшиеся в звездах, поскольку звезды богаты углеродом, а алмазы образуются при более высокой температуре, чем любой другой известный минерал. [31]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Daulton, TL (2006). «Внеземные наноалмазы в космосе». (Глава II) в «Ультрананокристаллическом алмазе: синтез, свойства и применение» редакторы О. Шендерова и Д. Грюн . стр. 23–78.
  2. ^ ab Институт радиоастрономии Макса Планка (25 августа 2011 г.). "Планета из алмаза". Журнал Astronomy . Получено 25 сентября 2017 г.
  3. ^ abcde Tielens, AGGM (12 июля 2013 г.). «Молекулярная вселенная». Reviews of Modern Physics . 85 (3): 1021–1081. Bibcode :2013RvMP...85.1021T. doi :10.1103/RevModPhys.85.1021.
  4. ^ ab Vu, Linda (26 февраля 2008 г.). «Spitzer's Eyes Perfect for Spotting Diamonds in the Sky». JPL News . Jet Propulsion Laboratory. Архивировано из оригинала 9 октября 2016 г. Получено 23 сентября 2017 г.
  5. ^ abc Davis, AM (21 ноября 2011 г.). «Звездная пыль в метеоритах». Труды Национальной академии наук . 108 (48): 19142–19146. Bibcode : 2011PNAS..10819142D. doi : 10.1073/pnas.1013483108 . PMC 3228455. PMID  22106261 . 
  6. ^ аб Калленбах, Р.; Энкрена, Тереза ; Гейсс, Йоханнес; Мауэрсбергер, Конрад; Оуэн, Тобиас; Роберт, Франсуа, ред. (2003). История Солнечной системы на основе изотопных сигнатур летучих элементов по результатам семинара ISSI, 14–18 января 2002 г., Берн, Швейцария . Дордрехт: Springer Нидерланды. ISBN 9789401001458.
  7. ^ "Ureilites". Лаборатория метеоритов Северной Аризоны . Университет Северной Аризоны . Получено 23 апреля 2018 г.
  8. ^ Хатчисон, Роберт (2006). Метеориты: петрологический, химический и изотопный синтез . Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 9780521035392.
  9. ^ Гиббенс, Сара (17 апреля 2018 г.). «Алмазы из космоса, образовавшиеся внутри давно потерянной планеты». National Geographic . Архивировано из оригинала 18 апреля 2018 г. Получено 23 апреля 2018 г.
  10. ^ Салазар, Дорис Элин (18 апреля 2018 г.). «Алмазы в метеорите могут быть с затерянной планеты». Scientific American . Получено 23 апреля 2018 г.
  11. ^ Набии, Фарханг; Бадро, Джеймс; Денненвальдт, Тереза; Овейси, Эмад; Кантони, Марко; Эбер, Сесиль; Эль Гореси, Ахмед; Барра, Жан-Аликс; Жилле, Филипп (17 апреля 2018 г.). «Большое планетарное тело, выявленное по алмазным включениям в урейлитовом метеорите». Природные коммуникации . 9 (1): 1327. Бибкод : 2018NatCo...9.1327N. дои : 10.1038/s41467-018-03808-6. ПМК 5904174 . ПМИД  29666368. 
  12. ^ ab Scandolo, Sandro; Jeanloz, Raymond (ноябрь–декабрь 2003 г.). «Центры планет: в лабораториях и на компьютерах сотрясаемая и сжатая материя становится металлической, выплевывает алмазы и обнажает раскаленный добела центр Земли». American Scientist . 91 (6): 516–525. Bibcode :2003AmSci..91..516S. doi :10.1511/2003.38.905. JSTOR  27858301. S2CID  120975663.
  13. ↑ Росс, Марвин (30 июля 1981 г.). «Ледяной слой на Уране и Нептуне — алмазы в небе?». Nature . 292 (5822): 435–436. Bibcode : 1981Natur.292..435R. doi : 10.1038/292435a0. S2CID  4368476.
  14. ^ ab Kerr, RA (1 октября 1999 г.). «Нептун может превратить метан в алмазы». Science . 286 (5437): 25. doi :10.1126/science.286.5437.25a. PMID  10532884. S2CID  42814647.
  15. ↑ Каплан, Сара (25 августа 2017 г.). «На Уране и Нептуне идут дожди из сплошных алмазов». The Washington Post . Получено 16 октября 2017 г.
  16. ^ Макки, Мэгги (9 октября 2013 г.). "Прогноз алмазной мороси на Сатурне и Юпитере". Nature News . doi : 10.1038/nature.2013.13925 . S2CID  124933499.
  17. ↑ Картье, Кимберли (15 сентября 2017 г.). «На Нептуне действительно идет дождь из алмазов, эксперименты подтверждают». Eos . doi : 10.1029/2017EO082223 .
  18. ^ Краус, Д.; и др. (сентябрь 2017 г.). «Формирование алмазов в сжатых лазером углеводородах в условиях внутренней части планеты». Nature Astronomy . 1 (9): 606–611. Bibcode : 2017NatAs...1..606K. doi : 10.1038/s41550-017-0219-9. S2CID  46945778.
  19. ^ Di Pierro S.; Gnos E.; Grobety BH; Armbruster T.; Bernasconi SM & Ulmer P. (2003). "Породообразующий муассанит (природный α-карбид кремния)". American Mineralogist . 88 (11–12): 1817–21. Bibcode :2003AmMin..88.1817D. doi :10.2138/am-2003-11-1223. S2CID  128600868.
  20. ^ Nisr, C.; Meng, Y.; MacDowell, AA; Yan, J.; Prakapenka, V.; Shim, S.-H. (январь 2017 г.). «Тепловое расширение SiC при высоком давлении и температуре и его влияние на тепловую конвекцию в глубоких недрах карбидных экзопланет». Journal of Geophysical Research: Planets . 122 (1): 124–133. Bibcode : 2017JGRE..122..124N. doi : 10.1002/2016JE005158 . OSTI  1344574.
  21. ^ Перкинс, Сид (25 августа 2011 г.). «Алмазная планета вращается вокруг пульсара». ScienceShots . Американская ассоциация содействия развитию науки . Получено 25 сентября 2017 г. .
  22. ^ Лемоник, Майкл (26 августа 2011 г.). «Ученые обнаружили алмаз размером с планету». Time . Получено 2 сентября 2017 г.
  23. ^ Даффи, ТС; Мадхусудхан, Н.; Ли, ККМ (2015). «2.07 Минералогия суперземельных планет». В Джеральде, Шуберте (ред.). Трактат о геофизике . Elsevier . стр. 149–178. ISBN 9780444538031.
  24. ↑ Гэннон, Меган (14 октября 2013 г.). «Суперземля 'Diamond' May Not Be So Glam». Space.com . Получено 25 сентября 2017 г. .
  25. ^ Хини, П. Дж.; Виченци, Э. П.; Де, С. (2005). «Странные алмазы: таинственное происхождение карбонадо и фреймезита». Элементы . 1 (2): 85. Bibcode : 2005Eleme...1...85H. doi : 10.2113/gselements.1.2.85. S2CID  128888404.
  26. ^ Шумилова, ТГ; Ткачев, СН; Исаенко, СИ; Шевчук, СС; Раппенглюк, МА; Казаков, ВА (апрель 2016 г.). «Звезда, подобная алмазу, в лаборатории. Стекло, подобное алмазу». Углерод . 100 : 703–709. Bibcode : 2016Carbo.100..703S. doi : 10.1016/j.carbon.2016.01.068 .
  27. ^ "В этот День святого Валентина подарите женщине, у которой есть всё, самый большой бриллиант в галактике". Центр астрофизики . Получено 5 мая 2009 г.
  28. ^ «Люси в небе с бриллиантами: встречайте самую дорогую звезду из когда-либо найденных». Футуризм. 12 июня 2014 г. Получено 20 мая 2019 г.
  29. ^ "Как развиваются камни". The Economist . 13 ноября 2008 г. Получено 26 сентября 2017 г.
  30. ^ Hazen, RM; Papineau, D.; Bleeker, W.; Downs, RT; Ferry, JM; McCoy, TJ; Sverjensky, DA; Yang, H. (1 ноября 2008 г.). «Эволюция минералов». American Mineralogist . 93 (11–12): 1693–1720. Bibcode :2008AmMin..93.1693H. doi :10.2138/am.2008.2955. S2CID  27460479.
  31. ^ Wei-Haas, Maya (13 января 2016 г.). «Жизнь и камни могли совместно эволюционировать на Земле». Smithsonian . Получено 26 сентября 2017 г. .