Внеземные алмазы - Extraterrestrial diamonds

Несмотря на то что бриллианты на земной шар редки, внеземные алмазы (алмазы, образованные за пределами Земли) очень распространены. Алмазы настолько крошечные, что содержат в среднем всего около 2000 атомов углерода. метеориты и некоторые из них сформировались в звезды до Солнечная система существовал.[1] Эксперименты под высоким давлением предполагают, что большое количество алмазов образовано из метан на ледяных планетах-гигантах Уран и Нептун, а одни планеты на других планетные системы может быть почти чистым алмазом.[2] Бриллианты также встречаются в звездах и, возможно, были первыми минеральная когда-либо сформировались.

Метеориты

Художественная концепция множества крошечных бриллиантов рядом с горячей звездой.

В 1987 году группа ученых исследовала примитивные метеориты и нашли зерна алмаза диаметром около 2,5 нанометра (наноалмазы ). В ловушке в них были благородные газы чей изотопная подпись указал, что они пришли из-за пределов Солнечная система. Анализы дополнительных примитивных метеоритов также обнаружили наноалмазы. Записи об их происхождении сохранились, несмотря на долгую и жестокую историю, которая началась, когда они были выброшены со звезды в межзвездная среда прошел через формирование Солнечной системы, были включены в планетарное тело, которое позже разбилось на метеориты и, наконец, разбилось о поверхность Земли.[3]

В метеоритах наноалмазы составляют около 3 процентов углерода и 400 частей на миллион массы.[4][3] Зерна Карбид кремния и графит также имеют аномальные изотопные структуры. В совокупности они известны как пресолнечные зерна или же звездная пыль и их свойства ограничивают модели нуклеосинтез в гигантские звезды и сверхновые.[5]

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 углерод-12 к углерод-13 совпадает с Атмосфера Земли в то время как азот-14 к азот-15 соответствует солнце. Такие методы, как атомно-зондовая томография позволит исследовать отдельные зерна, но из-за ограниченного числа атомов изотопное разрешение ограничено.[5]

Если большинство наноалмазов действительно образовалось в Солнечной системе, возникает вопрос, как это возможно. На поверхности земной шар, графит является стабильным углеродным минералом, в то время как более крупные алмазы могут образовываться только при таких температурах и давлениях, которые обнаруживаются глубоко в мантия. Однако размер наноалмазов близок к молекулярному: один с диаметром 2,8 нм (средний размер) содержит около 1800 атомов углерода.[5] В очень мелких минералах, поверхностная энергия важен, 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 возможно использование множества других форм углерода, таких как фуллерены можно найти, а также алмазные ядра, завернутые в фуллерены.[3]

Самые богатые углеродом метеориты с содержанием до 7 частей на тысячу по весу - это уреилиты.[6]:241 Они не не известны родительского тела и их происхождение, является спорным.[7] 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.[6][8]:264 Однако гораздо более крупные алмазы были найдены во фрагментах метеорита под названием Алмахата Ситта, найденный в Нубийская пустыня из Судан. Они содержали включения железосодержащих и серосодержащих минералов, первых включений, обнаруженных во внеземных алмазах.[9] 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.[10][11]

Инфракрасное излучение из космоса, наблюдаемое Инфракрасная космическая обсерватория и Космический телескоп Спитцера, ясно дал понять, что углеродсодержащие молекулы повсеместно распространены в космосе. К ним относятся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), фуллерены и алмазоиды (углеводороды, имеющие такую ​​же кристаллическую структуру, что и алмаз).[3] Если бы пыль в космосе имела такую ​​же концентрацию, то в одном грамме пыли было бы до 10 квадриллионов,[4] но пока имеется мало свидетельств их присутствия в межзвездной среде; их трудно отличить от диамондоидов.[3]

Исследование 2014 г., проведенное Джеймсом Кеннетом в Калифорнийский университет Санта-Барбары идентифицировали тонкий слой алмазов, разбросанный по трем континентам. Это подтвердило спорную гипотезу о том, что столкновение большой кометы с Землей около 13000 лет назад привело к исчезновению мегафауна в Северная Америка и положить конец Хлодвиг культура в период младшего дриаса.[12][13][14][15][16] Приведенные данные по наноалмазам рассматриваются некоторыми как наиболее убедительное физическое свидетельство удара / болида в более раннем дриасе. Однако это исследование было сильно ошибочным и основывалось на сомнительных и ненадежных методах измерения содержания наноалмазов в отложениях. Кроме того, большинство из зарегистрированных «наноалмазов» в дриасе граница не являются алмазами вообще, а сообщенными как спорный «п-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.[17][18]

Планеты

Солнечная система

Уран, изображение Вояджер 2 в 1986 г.

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 Лоуренс Ливермор, он проанализировал данные из ударно-волновое сжатие из метан (CH4) и обнаружил, что экстремальное давление отделяет атом углерода от водорода, освобождая его для образования алмаза.[19][20]

Теоретическое моделирование, проведенное Сандро Скандоло и другими, предсказало, что алмазы будут образовываться при давлении более 300 гига.паскали (ГПа), но даже при более низких давлениях метан будет разрушаться и образовывать цепочки углеводородов. Эксперименты высокого давления на Калифорнийский университет в Беркли используя ячейка с алмазной наковальней обнаружил 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 стал нестабильным при давлении всего 7 ГПа и 2000 кельвинов. После образования более плотные алмазы утонут. Этот «алмазный дождь» преобразовал бы потенциальная энергия в высокая температура и помочь управлять конвекция который генерирует магнитное поле Нептуна.[21][19][22]

Есть некоторая неуверенность в том, насколько хорошо экспериментальные результаты применимы к Урану и Нептуну. Вода и водород, смешанные с метаном, могут изменить химические реакции.[21] Физик в Институт Фрица Габера в Берлин показали, что углерод на этих планетах недостаточно сконцентрирован для образования алмазов с нуля. Предположение, что алмазы могут также образовываться на Юпитере и Сатурне, где концентрация углерода намного ниже, считалось маловероятным, поскольку алмазы быстро растворятся.[23]

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 полистирол, почти каждый атом углерода в материале был включен в кристаллы алмаза в течение наносекунды.[24][25]

Внесолнечный

Основная статья: Углеродная планета
На Земле карбид кремния в естественной форме - редкий минерал, муассанит.[26]

В Солнечной системе от 70% до 90% каменистых планет (Венера, Земля и Марс) состоят 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 привело бы к более быстрому кондуктивному охлаждению у поверхности, но конвекция ниже могла бы быть, по крайней мере, такой же сильной, как у силикатных планет.[27]

Одна такая планета PSR J1719-1438 б, компаньон миллисекундный пульсар. Его плотность как минимум вдвое больше, чем у вести, и может состоять в основном из сверхплотного алмаза. Считается, что это остатки белый Гном после того, как пульсар потерял более 99 процентов своей массы.[2][28][29]

Другая планета, 55 Cancri e, был назван «супер-Землей», потому что, как и Земля, это скалистая планета, вращающаяся вокруг звезды, похожей на Солнце, но имеет в два раза больший радиус и в восемь раз большую массу. Исследователи, обнаружившие его в 2012 году, пришли к выводу, что он богат углеродом, что делает вероятным наличие большого количества алмазов.[30] 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.[31]

Звезды

Было высказано предположение, что алмазы существуют в богатых углеродом звездах, особенно в белых карликах; и карбонадо, а поликристаллический смесь алмаза, графита и аморфный углерод и самая прочная природная форма углерода,[32] мог прийти из сверхновые и белые карлики.[33] Белый карлик, BPM 37093, расположенный в 50 световых годах (4,7×1014 км) далеко в созвездии Центавр и имея диаметр 2500 миль (4000 км), может иметь алмазное ядро, которое было названо Люси. Этот гигантский алмаз, вероятно, один из самых больших во Вселенной.[34][35]

В 2008, Роберт Хазен и коллеги из Институт Карнеги в Вашингтон, округ Колумбия. опубликовали статью «Эволюция минералов», в которой они исследовали историю образования минералов и обнаружили, что разнообразие минералов менялось с течением времени по мере изменения условий. До формирования Солнечной системы присутствовало лишь небольшое количество минералов, включая алмазы и оливин.[36][37] 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.[38]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Далтон, Т. Л. (2006). «Внеземные наноалмазы в космосе». (Глава II) в «Ультрананокристаллический алмаз: синтез, свойства и применение» редакторы О. Шендерова и Д. Груэн.. С. 23–78.
  2. ^ а б Радиоастрономический институт Макса Планка (25 августа 2011 г.). «Планета из алмаза». Журнал астрономии. Получено 25 сентября 2017.
  3. ^ а б c d е Тиленс, А.Г.М. (12 июля 2013 г.). «Молекулярная вселенная». Обзоры современной физики. 85 (3): 1021–1081. Bibcode:2013РвМП ... 85.1021Т. Дои:10.1103 / RevModPhys.85.1021.
  4. ^ а б Ву, Линда (26 февраля 2008 г.). «Глаза Спитцера, идеально подходящие для обнаружения алмазов в небе». Новости JPL. Лаборатория реактивного движения. Получено 23 сентября 2017.
  5. ^ а б c Дэвис, А. М. (21 ноября 2011 г.). «Звездная пыль в метеоритах». Труды Национальной академии наук. 108 (48): 19142–19146. Bibcode:2011PNAS..10819142D. Дои:10.1073 / pnas.1013483108. ЧВК  3228455. PMID  22106261.
  6. ^ а б Kallenbach, R .; Энкреназ, Тереза; Гейсс, Йоханнес; Мауэрсбергер, Конрад; Оуэн, Тобиас; Роберт, Франсуа, ред. (2003). История Солнечной системы по изотопным сигнатурам летучих элементов. Объем результатов семинара ISSI 14–18 января 2002 г., Берн, Швейцария.. Дордрехт: Springer, Нидерланды. ISBN  9789401001458.
  7. ^ "Урейлитес". Лаборатория метеоритов Северной Аризоны. Университет Северной Аризоны. Получено 23 апреля 2018.
  8. ^ Хатчисон, Роберт (2006). Метеориты: петрологический, химический и изотопный синтез. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521035392.
  9. ^ Гиббенс, Сара (17 апреля 2018 г.). «Алмазы из космоса, образовавшиеся внутри давно потерянной планеты». Национальная география. Получено 23 апреля 2018.
  10. ^ Салазар, Дорис Элин (18 апреля 2018 г.). «Бриллианты в метеорите могут быть доставлены с затерянной планеты». Scientific American. Получено 23 апреля 2018.
  11. ^ Набиеи, Фарханг; Бадро, Джеймс; Денненвальдт, Тереза; Овейси, Эмад; Кантони, Марко; Эбер, Сесиль; Эль-Гореси, Ахмед; Баррат, Жан-Аликс; Жилле, Филипп (17 апреля 2018 г.). «Большое планетарное тело, полученное из алмазных включений в уреилитовом метеорите». Nature Communications. 9 (1): 1327. Bibcode:2018НатКо ... 9.1327N. Дои:10.1038 / s41467-018-03808-6. ЧВК  5904174. PMID  29666368.
  12. ^ Коэн, Джули (13 апреля 2017 г.). «Неужели комета вызвала заморозку, убившую мамонтов? - Будущее». Будущее. Получено 23 сентября 2017.
  13. ^ Роуч, Джон (23 июня 2010 г.). «Грибы и фекалии показывают, что комета не убивала млекопитающих ледникового периода?». Национальная география. Получено 23 сентября 2017.
  14. ^ Коэн, Джули (27 августа 2014 г.). «В исследовании изучаются наноалмазы возрастом 13 000 лет из разных мест на трех континентах». Phys.org. Получено 23 сентября 2017.
  15. ^ Пинтер, Н .; Scott, A.C .; Daulton, T. L .; Подолл, А .; Koeberl, C .; Андерсон, Р. С .; Ишман, С. Э. (2011). «Гипотеза воздействия младшего дриаса: реквием». Обзоры наук о Земле. 106 (3–4). С. 247–264.
  16. ^ van Hoesel, A .; Hoek, W. Z .; Pennock, G.M .; Друри, М. Р. (2014). «Гипотеза воздействия позднего дриаса: критический обзор». Четвертичные научные обзоры. 83 (1). С. 95–114.
  17. ^ Daulton, T. L .; Amari, S .; Скотт, А .; Hardiman, M .; Пинтер, Н .; Андерсон, Р. (2017). «Всесторонний анализ доказательств наноалмазов, относящихся к гипотезе воздействия позднего дриаса». Журнал четвертичной науки. 32 (1). С. 7–34.
  18. ^ Daulton, T. L .; Amari, S .; Скотт, А .; Hardiman, M .; Пинтер, Н .; Андерсон, Р. (2017). "Наносили ли наноалмазы дождь с неба, когда шерстистые мамонты падали на своих следах по всей Северной Америке 12 900 лет назад?". Микроскопия и Микроанализ. 23 (1). С. 2278–2279.
  19. ^ а б Скандоло, Сандро; Жанло, Раймон (Ноябрь – декабрь 2003 г.). «Центры планет: в лабораториях и компьютерах потрясенная и сжатая материя становится металлической, выкашливает алмазы и обнажает раскаленный добела центр Земли». Американский ученый. 91 (6): 516–525. Bibcode:2003AmSci..91..516S. Дои:10.1511/2003.38.905. JSTOR  27858301.
  20. ^ Росс, Марвин (30 июля 1981 г.). «Слой льда на Уране и Нептуне - алмазы в небе?». Природа. 292 (5822): 435–436. Bibcode:1981Натура.292..435р. Дои:10.1038 / 292435a0. S2CID  4368476.
  21. ^ а б Керр, Р. А. (1 октября 1999 г.). «Нептун может превратить метан в алмазы». Наука. 286 (5437): 25. Дои:10.1126 / science.286.5437.25a. PMID  10532884. S2CID  42814647.
  22. ^ Каплан, Сара (25 августа 2017 г.). «На Уран и Нептун идет дождь из твердых алмазов». Вашингтон Пост. Получено 16 октября 2017.
  23. ^ Макки, Мэгги (9 октября 2013 г.). «Прогноз алмазной мороси для Сатурна и Юпитера». Новости природы. Дои:10.1038 / природа.2013.13925. S2CID  124933499.
  24. ^ Картье, Кимберли (15 сентября 2017 г.). "Бриллианты действительно проливают дождь на Нептун, эксперименты завершены". Эос. Дои:10.1029 / 2017EO082223.
  25. ^ Kraus, D .; и другие. (Сентябрь 2017 г.). «Формирование алмазов в сжатых лазером углеводородах во внутренних условиях планеты». Природа Астрономия. 1 (9): 606–611. Bibcode:2017НатАс ... 1..606K. Дои:10.1038 / s41550-017-0219-9. S2CID  46945778.
  26. ^ Di Pierro S .; Gnos E .; Grobety B.H .; Армбрустер Т .; Бернаскони С.М. И Ульмер П. (2003). «Породообразующий муассанит (природный α-карбид кремния)». Американский минералог. 88 (11–12): 1817–21. Bibcode:2003AmMin..88.1817D. Дои:10.2138 / am-2003-11-1223. S2CID  128600868.
  27. ^ Nisr, C .; Meng, Y .; MacDowell, A. A .; Yan, J .; Пракапенко, В .; Шим, С.-Х. (Январь 2017 г.). «Тепловое расширение SiC при высоких давлениях и температурах и последствия для тепловой конвекции в глубоких недрах карбидных экзопланет». Журнал геофизических исследований: планеты. 122 (1): 124–133. Bibcode:2017JGRE..122..124N. Дои:10.1002 / 2016JE005158.
  28. ^ Перкинс, Сид (25 августа 2011 г.). "Алмазная планета вращается вокруг пульсара". ScienceShots. Американская ассоциация развития науки. Получено 25 сентября 2017.
  29. ^ Лемоник, Майкл (26 августа 2011 г.). «Ученые открыли алмаз размером с планету». Время. Получено 2 сентября 2017.
  30. ^ Даффи, Т. С .; Madhusudhan, N .; Ли, К.К.М. (2015). «2.07 Минералогия планет суперземли». В Джеральде, Шуберт (ред.). Трактат по геофизике. Эльзевир. С. 149–178. ISBN  9780444538031.
  31. ^ Гэннон, Меган (14 октября 2013 г.). "'Планета Супер-Земля Diamond не может быть такой гламурной ». Space.com. Получено 25 сентября 2017.
  32. ^ Хини, П. Дж .; Vicenzi, E. P .; Де, С. (2005). «Странные бриллианты: таинственное происхождение карбонадо и фрамезита». Элементы. 1 (2): 85. Дои:10.2113 / gselements.1.2.85. S2CID  128888404.
  33. ^ Шумилова, Т.Г .; Ткачев, С.Н .; Исаенко, С.И .; Шевчук, С.С .; Rappenglück, M.A .; Казаков, В.А. (Апрель 2016 г.). «Алмазоподобная звезда» в лаборатории. Алмазное стекло ». Углерод. 100: 703–709. Дои:10.1016 / j.carbon.2016.01.068.
  34. ^ «В этот День святого Валентина подарите женщине, у которой есть все, самый большой алмаз в Галактике». Центр астрофизики. Получено 5 мая 2009.
  35. ^ "Люси в небе с бриллиантами: встречайте самую дорогую звезду из когда-либо найденных". Футуризм. 12 июня 2014 г.. Получено 20 мая 2019.
  36. ^ «Как развиваются породы». Экономист. 13 ноября 2008 г.. Получено 26 сентября 2017.
  37. ^ Hazen, R.M .; Papineau, D .; Bleeker, W .; Даунс, Р. Т .; Ferry, J.M .; Маккой, Т. Дж .; Сверженский, Д. А .; Ян, Х. (1 ноября 2008 г.). «Минеральная эволюция». Американский минералог. 93 (11–12): 1693–1720. Bibcode:2008AmMin..93,1693H. Дои:10.2138 / am.2008.2955. S2CID  27460479.
  38. ^ Вей-Хаас, Майя (13 января 2016 г.). «Жизнь и камни могли развиваться на Земле совместно». Смитсоновский институт. Получено 26 сентября 2017.