Внеземные алмазы - Extraterrestrial diamonds

Хотя алмазы на Земле редки, внеземные алмазы (алмазы, образованные за пределами Земли) очень распространены. Такие крошечные алмазы, что содержат всего около 2000 атомов углерода, в изобилии присутствуют в метеоритах, а некоторые из них образовались в звездах еще до существования Солнечной системы . Эксперименты под высоким давлением показывают, что большое количество алмазов образуется из метана на планетах-гигантах Уран и Нептун , в то время как некоторые планеты в других планетных системах могут быть почти чистыми алмазами. Алмазы также встречаются в звездах и, возможно, были первым минералом, который когда-либо образовался.

Метеориты

Художественная концепция множества крошечных бриллиантов рядом с горячей звездой.

В 1987 году группа ученых исследовала примитивные метеориты и обнаружила алмазные зерна диаметром около 2,5 нанометра ( наноалмазы ). В них были заключены благородные газы , изотопная подпись которых указала на то, что они пришли из-за пределов Солнечной системы . Анализы дополнительных примитивных метеоритов также обнаружили наноалмазы. Записи об их происхождении сохранились, несмотря на долгую и жестокую историю, которая началась, когда они были выброшены из звезды в межзвездную среду , прошли через формирование Солнечной системы , были включены в планетное тело, которое позже было разбито на метеориты. и, наконец, разбился о поверхность Земли.

В метеоритах наноалмазы составляют около 3 процентов углерода и 400 частей на миллион массы. Зерна карбида кремния и графита также имеют аномальную изотопную структуру. В совокупности они известны как досолнечные зерна или звездная пыль, и их свойства ограничивают модели нуклеосинтеза в гигантских звездах и сверхновых .

Неясно, сколько наноалмазов в метеоритах действительно происходит из-за пределов Солнечной системы. Лишь очень небольшая часть из них содержит благородные газы досолнечного происхождения, и до недавнего времени было невозможно изучить их индивидуально. В среднем соотношение углерода-12 и углерода-13 соответствует соотношению в атмосфере Земли, а соотношение азота-14 и азота-15 соответствует отношению к Солнцу . Такие методы, как томография атомного зонда, позволят исследовать отдельные зерна, но из-за ограниченного числа атомов изотопное разрешение ограничено.

Если большинство наноалмазов действительно образовалось в Солнечной системе, возникает вопрос, как это возможно. На поверхности Земли , графит является стабильным углеродом минерального тогда как более крупные алмазы могут быть сформированы только в виде температур и давлений , которые находятся глубоко в мантии . Однако размер наноалмазов близок к молекулярному: один с диаметром 2,8 нм (средний размер) содержит около 1800 атомов углерода. В очень мелких минералах важна поверхностная энергия, и алмазы более стабильны, чем графит, потому что структура алмаза более компактна. Кроссовер по стабильности составляет от 1 до 5 нм. При еще меньших размерах можно найти множество других форм углерода, таких как фуллерены , а также алмазные ядра, завернутые в фуллерены.

Наиболее богатые углеродом метеориты с содержанием до 7 частей на тысячу по весу - это уреилиты . У них нет известного родительского тела, и их происхождение спорно. Алмазы часто встречаются в сильно шоковых уреилитах, и считается, что большинство из них образовалось либо в результате удара о Землю, либо от других тел в космосе. Тем не менее, гораздо более крупные алмазы были найдены в обломках метеорита под названием Almahata Sitta , найденный в нубийских пустыне в Судане . Они содержали включения железосодержащих и серосодержащих минералов - первые включения, обнаруженные в инопланетных алмазах. Они были датированы кристаллами возрастом 4,5 миллиарда лет и образовались при давлении более 20 гигапаскалей. Авторы исследования 2018 года пришли к выводу, что они, должно быть, пришли с протопланеты, которая больше не повреждена, размером между Луной и Марсом.

Инфракрасное излучение из космоса, наблюдаемое Инфракрасной космической обсерваторией и космическим телескопом Спитцер , ясно показало, что углеродсодержащие молекулы повсеместно распространены в космосе. К ним относятся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), фуллерены и алмазоиды (углеводороды, которые имеют ту же кристаллическую структуру, что и алмаз). Если бы пыль в космосе имела такую ​​же концентрацию, то в одном грамме ее было бы до 10 квадриллионов, но пока имеется мало свидетельств их присутствия в межзвездной среде; их трудно отличить от диамондоидов.

Исследование 2014 года, проведенное Джеймсом Кеннетом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, выявило тонкий слой алмазов, раскинувшийся на трех континентах. Это подтвердило спорную гипотезу о том, что столкновение большой кометы с Землей около 13000 лет назад привело к исчезновению мегафауны в Северной Америке и положило конец культуре Хлодвига в период раннего дриаса. Приведенные данные по наноалмазам рассматриваются некоторыми как наиболее убедительное физическое свидетельство удара / болида более раннего дриаса. Однако это исследование было сильно ошибочным и основывалось на сомнительных и ненадежных методах измерения содержания наноалмаза в отложениях. Более того, большинство зарегистрированных «наноалмазов» на границе раннего дриаса - вовсе не алмазы, а скорее, как спорный «н-алмаз». Использование «n-алмаза» в качестве маркера удара проблематично из-за присутствия в отложениях самородных нанокристаллов Cu, которые можно легко спутать с «n-алмазом», если эта спорная углеродная фаза вообще существует.

Планеты

Солнечная система

Уран , сделанный космическим аппаратом Вояджер-2 в 1986 году.

В 1981 году Марвин Росс написал статью под названием «Слой льда на Уране и Нептуне - алмазы в небе?» в котором он предположил, что внутри этих планет можно найти огромное количество алмазов. В Лоуренса Ливермора , он проанализировали данные от ударной волны сжатия из метана (СН 4 ) и обнаружили , что предельное давление отделил атом углерода из водорода, освобождая его для образования алмаза.

Теоретическое моделирование, проведенное Сандро Скандоло и другими, предсказало, что алмазы будут образовываться при давлениях более 300 гигапаскалей (ГПа), но даже при более низких давлениях метан будет разрушаться и образовывать цепочки углеводородов. Эксперименты с высоким давлением в Калифорнийском университете в Беркли с использованием ячейки с алмазной наковальней обнаружили оба явления при давлении всего 50 ГПа и температуре 2500 кельвинов, что эквивалентно глубине 7000 километров под вершинами облаков Нептуна. Другой эксперимент в геофизической лаборатории показал, что метан становится нестабильным при давлении всего 7 ГПа и 2000 кельвинов. После образования более плотные алмазы утонут. Этот «алмазный дождь» будет преобразовывать потенциальную энергию в тепло и способствовать конвекции, которая генерирует магнитное поле Нептуна.

Есть некоторая неуверенность в том, насколько хорошо экспериментальные результаты применимы к Урану и Нептуну. Вода и водород, смешанные с метаном, могут изменить химические реакции. Физик из Института Фрица Габера в Берлине показал, что углерод на этих планетах недостаточно сконцентрирован для образования алмазов с нуля. Предположение о том, что алмазы могут также образовываться на Юпитере и Сатурне, где концентрация углерода намного ниже, было сочтено маловероятным, поскольку алмазы быстро растворятся.

Эксперименты по превращению метана в алмазы обнаружили слабые сигналы и не достигли значений температуры и давления, ожидаемых на Уране и Нептуне. Однако в недавнем эксперименте использовался ударный нагрев лазерами для достижения температуры и давления, ожидаемых на глубине 10 000 километров под поверхностью Урана. Когда они сделали это с полистиролом , почти каждый атом углерода в материале превратился в кристаллы алмаза в течение наносекунды.

Внесолнечный

На Земле естественной формой карбида кремния является редкий минерал муассанит .

В Солнечной системе каменистые планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс состоят на 70–90% по массе из силикатов. Напротив, звезды с высоким отношением углерода к кислороду могут вращаться вокруг планет, которые в основном состоят из карбидов, причем наиболее распространенным материалом является карбид кремния . Он имеет более высокую теплопроводность и более низкое тепловое расширение, чем силикаты. Это приведет к более быстрому кондуктивному охлаждению у поверхности, но конвекция ниже может быть, по крайней мере, такой же сильной, как на силикатных планетах.

Одна из таких планет - PSR J1719-1438 b , спутник миллисекундного пульсара . Он имеет плотность, по крайней мере, вдвое, чем свинец , и может состоять в основном из сверхплотного алмаза. Считается, что это остаток белого карлика после того, как пульсар потерял более 99 процентов его массы.

Другая планета, 55 Cancri e , была названа «супер-Землей», потому что, как и Земля, это скалистая планета, вращающаяся вокруг звезды, похожей на Солнце, но у нее в два раза больше радиуса и в восемь раз больше массы. Исследователи, обнаружившие его в 2012 году, пришли к выводу, что он богат углеродом, что делает вероятным наличие большого количества алмазов. Однако более поздний анализ с использованием нескольких измерений химического состава звезды показал, что у звезды на 25 процентов больше кислорода, чем углерода. Это снижает вероятность того, что сама планета представляет собой углеродную планету.

Звезды

Было высказано предположение, что алмазы существуют в богатых углеродом звездах, особенно в белых карликах; а карбонадо , поликристаллическая смесь алмаза, графита и аморфного углерода и самая прочная природная форма углерода, может происходить от сверхновых и белых карликов . Белый карлик BPM 37093 , расположенный на расстоянии 50 световых лет (4,7 × 10 14  км) от нас в созвездии Центавра и имеющий диаметр 2500 миль (4000 км), может иметь алмазное ядро, которое было названо Люси . Если так, то этот гигантский алмаз был бы одним из самых больших во Вселенной.

В 2008 году Роберт Хейзен 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 присутствовало лишь небольшое количество минералов, включая алмазы и оливин . Первыми минералами могли быть маленькие алмазы, образованные в звездах, потому что звезды богаты углеродом, а алмазы образуются при более высокой температуре, чем любой другой известный минерал.

Смотрите также

использованная литература