Температура и давление фантастики, 2/3

Часть 2. Прогулка

Первая часть

Во-первых, огромное спасибо за такое количество хороших и осмысленных комментариев. Лишь недостаток времени не позволяет детально на них все ответить. Но я ценю и дополнения, и ссылки на нечитанную фантастику (сколько же её!), и поправки. Спасибо!

В этом разделе не будет большой глубины. А будет небольшая экскурсия по окраинам pT-диаграммы, редко посещаемым даже популяризаторами науки. Зачем? Чтобы показать, что богатство миров и явлений, скорее всего, отнюдь не убывает при удалении от привычного нам «центра мира условий». И что, наверное, в тех местах может происходить что-то интересное и сюжетообразующее… при условии, что хоть один профессиональный писатель сможет качественно это помыслить. Но это — отдельная тема для обсуждения в третьей части. Здесь же у нас будут просто далёкие миры. Не в парсеках далёкие, но оттого не менее труднодостижимые.

Юпитер

Вот так он выглядит снаружи:

А так, по современным представлениям^[490], изнутри:

[Image Credit: Sean Wahl et. al., [490]]

Разброс кривулек на картинке означает, что мы до сих пор не знаем, есть ли у Юпитера компактное ядро, или же оно растворено в сверхсжатом водороде. Поэтому я ограничусь менее серьёзными глубинами. Тысяч так примерно в 15 километров. Давление там составляет ~2 миллиона атмосфер, а температура — 6-7 тысяч градусов. Водород (которого в Юпитере ~90%) сжат там до плотности 200 кг/м³, частично превращён в металлический и по консистенции напоминает нечто среднее между бензином и ртутью — если бы они могли друг в друге растворяться.

Но вот гелий в этой смеси растворяться не желает. А потому собирается в капли и сеется вниз этаким гелиевым «дождём». В кавычках, ибо это похоже больше на оседание взболтанной смеси воды и масла. И «дождь» этот никуда не попадает, потому что ещё глубже растворимость гелия в водороде восстанавливается и капли, пропадав с десяток тысяч километров, бесследно растворяются. Всё это при 6000 градусов.

Где-то там или чуть выше зарождается магнитное поле Юпитера. Вообще-то, мы неотчётливо представляем себе принцип работы магнитного динамо, даже земного. Ясно лишь, что уже существующее магнитное поле как-то хитро «подгибает» конвективные потоки проводящего материала в планете, чтобы использовать их энергию и тем самоусиливаться. В этом оно схоже с земной жизнью, которая тоже «катается» на доступных к оседланию потоках энергии, будь то солнечный свет или истечение сероводорода из недр.

Не исключено, что зональные ветра Юпитера, в виде этаких цилиндрических колонн, простираются как минимум до этих глубин.

[Image credit [200]]

Предположим, мы хотим узнать про эти области побольше. Какие есть возможности?

Мысль первая: электромагнитные волны.

Увы, оптика и ближний инфракрас позволяют зондировать Юпитер лишь примерно до 4-х атмосфер глубины^[200] — то есть, эдак километров на 40. На миллиметровых волнах можно «пробиться» до 100 атмосфер^[200], это километров 260. Juno, «слушая» на волне 50 см, может кое-что с трудом разобрать до ~550-600 километров, где давление достигает 1000 атмосфер^[420], а температура — 1300 Кельвинов. Но в масштабе картинки из заголовка это — лишь девять пикселов:

Нам же нужно вдесятеро глубже — примерно под обрез.

Может, послать спускаемый аппарат?

Galileo в 1995-м смог погрузиться на 160 километров, до 22-х атмосфер и 152-х градусов Цельсия. Два пиксела.

Предельные глубины будущих зондов Юпитера, ещё рассматриваемые всерьёз^[460] — 200 атмосфер. Пять точек, или 330-340 километров.

И если уж фантазировать с размахом, то можно придумать вот какую схему. Берём сферический батискаф из монокристаллического алмаза. Со стенками в пару метров толщиной, армированными рением (не думаю, что поможет, зато как звучит!) Покрываем чем-нибудь водородоустойчивым. Ставим на него атомный реактор для активного охлаждения. Набиваем приборами и сбрасываем на планету. Связь — маленькими всплывающими зондами. Это, конечно, фантастика — но фантастика ещё научная.

Алмаз, самое прочное на сжатие вещество, выдерживает^[410] разницу давлений порядка 100 ГПа, или миллиона атмосфер. С точностью до геометрии изготовления такой зонд сможет заглянуть в Юпитер километров так на 8-9 тысяч. Это уже близко к гелиевому дождю и магнитному динамо. Но даже это составляет лишь 1/8 радиуса планеты…

Что можно наблюдать в процессе такого погружения?

Сначала мы пробьём облака из аммиака NH₃ (0.7 атм), гидросульфида аммония NH₄SH (2 атм) и воды H₂O (7 атм).

Атмосферах на ста станет совсем темно.

На ~500-х километрах, при 500-х атмосферах и температуре 1064 К зонд пройдёт сквозь тонкую дымку облаков из… золота. По крайней мере, если верить работе^[440]. Так оно или нет, никто, конечно, не знает. Но золото довольно инертно и, для металла, относительно летуче, так что физике это не противоречит.

На тысяче атмосфер плотность газа достигнет ~20 кг/м³ — и просто газом эту среду считать уже будет нельзя. Примерно там же может располагаться облачность из сульфида натрия Na₂S.

На 700 километрах, при 4800 атмосферах и 2000 Кельвина, снаружи проплывают^[440] облака из силиката магния MgSiO₃. Правда, по виду за окошком это заметить сложно, и вообще вряд ли он кого-то впечатлит:

Потому что это попросту свечение нагретого до 2000 Кельвинов вещества. Мало чем отличающееся от жара стеклоплавильной печи. И глядит эта картинка вдаль ажно на несколько дециметров. Ибо примерно такова^[430] прозрачность материи в тех условиях. Что иллюстрирует: не только наша фатазия, но и наши способы восприятия беспомощны в условиях, слишком удалённых от «нормальных».

Но наши теории продолжают в них работать и предсказывать немало интересного.

На полумиллионе атмосфер (5600 километров, 5100 градусов) водород начинает диссоциировать, что можно считать началом его превращения в металлический. Ближайшая зрительная аналогия этого — растворение натрия в жидком аммиаке^[830]. По мере роста концентрации свободных электронов раствор темнеет, теряет прозрачность и увеличивает электропроводность.

Глубже 2 миллионов атмосфер железо оказывается растворимым в металлическом водороде^[450], а с каменистыми минералами это происходит выше 5 миллионов атмосфер и 10 тысяч градусов^[450]. Что достигается на четверти «глубины Юпитера». Дальше его материя представляет собой, вероятно, этакий сверхплотный, сверхразогретый, частично ионизированный «бульон» из металлического водорода с примесями прочих элементов.

Может ли там происходить что-то более интригующее, нежели равномерное перемешивание этого «бульона»? Вопрос этот многим не даёт покоя.

Так, согласно [730], глубокие недра Юпитера могут иметь многослойную структуру. Со скачками концентрации примесей между слоями. Ну вроде как у нас на Земле, когда холодный задымленный воздух собирается чётким «пирогом» смога над городом. Только на Юпитере эти скачки обусловлены разницей не температур, а химсоставов. Например, в нижнем слое растворено больше SiO₂ — и это делает его достаточно тяжёлым, чтобы противостоять конвекции. Понятно, что на границах таких слоёв будут возникать резкие перепады как температур, так и химсоставов. Допустим, на очень большой глубине вещество AB распадается на компоненты A + B. Выше они готовы соединиться обратно, но процесс этот медленный. Отсутствие конвекции не даёт им подняться и перемешаться с атмосферой. В итоге прямо под границей слоя может набраться избыток разделённых A и/или B. Далёкий аналог нашего нефтяного слоя. Если там же появится нечто, способное катализировать реакцию A + B -> AB, то у него будет источник химической энергии, чтобы эволюционировать в некто. Конечно, для возникновения жизни этого очень мало — но достаточно, чтобы не отвергать саму идею с разбегу.

Может ли эта условно-воображаемая жизнь как-то с нами связаться? Подъём наверх ей точно противопоказан. Привычная к давлениям, сжимающим в разы даже камень, к среде, где железо — газ и компонент раствора, в верхних слоях Юпитера она просто испарится и распадётся, как пена на ветру.

Электромагнитные волны, как мы уже установили, с таких глубин не проходят. Хотя бы из-за слоя металлического водорода.

Гравитация? Структуры плотности в недрах Юпитера мы неплохо улавливаем. Если они размером в десятки тысяч километров.

Магнитное поле? Магнитометры Juno «видят» до уровня металлического водорода, т.е. двух миллионов атмосфер. На них может быть надежда.

Модуляция потока нейтрино? Мы пока от целого Солнца эти частицы с трудом-то регистрируем.

И остаётся… звук. Обыкновенные звуковые волны. Которые, как показано в [500], способны проходить в Юпитере десятки тысяч километров, и которые мы научились-таки недавно детектировать. Правда, речь идёт лишь о частотах примерно в один миллиГерц. На таких колебаниях передача читаемого вами текста займёт порядка 300 лет. Закодировав его морзянкой, мы гораздо быстрее сможем передать его по радио на соседнюю звезду. Иногда несходство условий может быть куда большим барьером, чем физические расстояния.

[Disclaimer. Дабы показать цельную картину, я смешал в этой заметке материалы работ [200, 420, 430, 440, 450, 470, 480, 490, 500, 730]. Основаны они зачастую на несовместимых моделях, данных, и предположениях о составе планеты и поведении вещества. Совсем уж радикальных противоречий между ними нет, но стоит помнить, что сведение их воедино — это прикладное франкенштейноводство. Допустимое в обзорных целях, но и только.]  

Луна в бензовозе

В школе учат, что атмосферы у Луны нет. Это не совсем верно. Какое-то подобие газовой оболочки у Луны всё-таки имеется. Правда, она порядков на 15 разреженнее нашей. Поэтому, если весь лунный «воздух» сжать до земных условий, то его хватит разве что на заполнение приличного спортзала, а увезти всю эту атмосферу можно на одном грузовике с прочной цистерной.

Тем не менее, в этой разреженной области на pT-диаграмме происходит достаточно интересного, чтобы множество людей ежегодно публиковало кучу статей, съезжалось для их обсуждения, и даже запустило межпланетную станцию (LADEE) специально для исследования лунной атмосферы.

Одна такая работа^[720] по материалам с LADEE посвящена лунному аргону. Из него, в основном, тамошняя атмосфера и состоит. Только вот «состоит» и «атмосфера» нуждаются в уточнении. Потому что над одними участками Луны аргона почему-то в разы больше, чем над другими, а от времени суток его количество меняется вообще в десятки раз. По сути, это не «газовая оболочка», а эдакое облако, дышащее, меняющее размеры, кочующее, чувствительное к температуре, ионизации солнечным ветром, составу грунта, способное временно «прилипать» к его поверхности или перманентно оседать в «холодных ловушках» у полюсов. Теряемое в итоге в космос и подпитываемое распадом калия в лунной коре. Предполагаемый источник которого, возможно, ответственен за обнаруженный «аргоновый горб» над западными лунными морями.

^{[Статья написана для сайта https://geektimes.ru/. При копировании просьба сослаться на оригинал. Автор статьи Евгений Бобух. Поддержать автора криптовалютой можно по адресам, указанным в профиле.]}

В другой публикации^[540] исследуется лунный… атмосферный радон. Его там ловили буквально по атомам, но смогли построить карту распределения лунного полония на некотором участке:

Отображён этот результат зрительно, но лучшей аналогией должно быть обоняние. Когда станция на орбите, виток за витком, именно что вынюхивала штучные атомы радона, и строила по ним картину мира. Человеческому же взгляду лунная атмосфера не предстаёт решительно ничем интересным:

Слишком разрежена, и всё, что в ней происходит — все эти плазменные взаимодействия, сорбция частиц, движения по линиям локальных магнитных полей — приходится рисовать схемками и формулами.

Хотя вру. Есть одна загадка полувековой уже давности со вполне визуальным представлением.

Ещё в 1968-м посадочная станция Сервейер-7 сфотографировала^[550][555] с поверхности Луны нечто, напоминающее… зарю:

[Image credit: NASA, [555]]

Американские астронавты в 1972-м с лунной орбиты тоже наблюдали^[560] похожие феномены:

[Image credit: NASA, [560]]

Однако что там может светиться в лучах Солнца, если воздуха нет? Сегодня принято считать, что это… пыль. Микроскопические электрически заряженные частички, парящие буквально в метрах над поверхностью, создают «зарю» лунными «утрами».

Всё бы хорошо, да что их поднимает? Электрическое поле между участками затенёнными и открытыми солнечному ветру^[740]? Микроскопические флуктуации электрического заряда^[750]? Микропробои со «взрывом» частиц реголита^[760]? Удары микрометеоритов^[770] (хотя вряд ли — это я уже от себя домысливаю). Почему некоторые современные исследования^[780] этих лунных зорь в упор не видят? Взлетают ли эти частицы «фонтанами» по мере движения терминатора, парят ли равномерным слоем? Могут ли образовывать так называемый плазменный кристалл, структуру с нашей точки зрения весьма нестойкую — но вполне упорядоченную?

[Плазменный кристал в эксперименте на Международной Космической Станции. Image credit: phys.org, [790]]

Вопрос, однако. В значительной степени открытый.

На повседневный взгляд, изучение этих разреженных материй не стоит усилий. Какие-то газы и примеси летают в почти полном вакууме в микрограммовых количествах на гектар. Дунь — и всё исчезнет. Кстати, и исчезало. Каждая посадка «Аполлона» на Луну разбавляла лунную атмосферу выхлопными газами двигателя примерно вдвое.

Но настолько же непрочной и эфемерной может показаться наша земная материя с точки зрения (сугубо гипотетических) обитателей нейтронных звёзд. Означает ли это, что в нашей материи нет структуры, сложности и ничего достойного изучения?
 

Нейтронные звёзды

Вопросов про них у нас куда больше, чем ответов, так что почти всё в этом разделе — лишь более-менее обоснованные гипотезы, почерпнутые, преимущественно, из обзора [40]. Хорошего, кстати, и на русском языке.

Итак, нейтронные звёзды, они же пульсары — это объекты массой с Солнце, но размером с город (20-30 км), отчего сила тяжести на них достигает ~10¹¹ g. С температурами в миллионы градусов, давлениями и прочими параметрами, тоже вылезающими за края экрана. Я думаю, что выглядят они примерно так. Если смотреть через очень, очень тёмный светофильтр и не сгореть от радиации:

[Based on Image by NASA. Edited out background stars that won’t be visible at such primary’s brightness]

У нейтронных звёзд есть, во-первых, ядра, про которые мало что известно, кроме оценки давления в центре: ~10²⁹ атмосфер. Теоретики не знают даже толком, из чего состоит их материя. Но плотность её, вероятно, сильно превышает плотность даже атомного ядра (2.8*10¹⁴ г/см³). Кусочек такой материи размером с бактерию создаёт на своей поверхности ту же силу тяжести, что и Земля — на своей.

Во-вторых, у нейтронных звёзд есть что-то вроде мантии и коры. Цитирую^[40]: «Вещество самых глубоких оболочек, примыкающих к ядру нейтронной звезды, представляет собой нейтронную жидкость, в которую погружены атомные ядра и электроны. Нейтроны и электроны в этих слоях сильно вырождены, а ядра являются нейтронно-избыточными — число нейтронов в них может в несколько раз превышать число протонов, и лишь гигантское давление удерживает их от распада. Электростатическое взаимодействие ядер настолько сильно, что упорядочивает ядра в кристаллическую решётку, которая формирует твёрдую звёздную кору. Между корой и ядром звезды может находиться мантия (её существование, правда, предсказывается не всеми современными моделями плотной ядерной материи). Атомные ядра в ней принимают экзотические формы протяжённых цилиндров или плоскостей <...> Такое вещество ведёт себя подобно жидким кристаллам <...> Кора нейтронной звезды делится на внутреннюю и внешнюю. Внешняя кора отличается отсутствием свободных нейтронов. Граница пролегает при критической плотности<...>, выше которой начинается ‘просачивание нейтронов’ <...> из ядер.<...> С уменьшением концентрации ионов электростатическое взаимодействие между ними ослабевает, и в итоге вместо кристаллической решётки термодинамическую устойчивость приобретает кулоновская жидкость. Положение границы плавления, которую можно назвать дном океана нейтронной звезды, зависит от температуры и химического состава оболочки.«

Химически же она состоит, скорее всего, из железа. Но, не забываем, сжатого до плотности 10⁵ — 10⁹ г/см³, по сравнению с которой наша сталь — вакуум во флуоресцентной лампе!

Ещё у нейтронных звёзд бывают атмосферы. Из плазмы водорода, гелия, углерода и железа, под миллион градусов разогретой. Но толщиной лишь в единицы миллиметров. И в эти миллиметры втиснуты слои разного состава и плотности (Плоский мир! Право слово, вот про что роман бы написать! Но у кого хватит воображения?) Эти атмосферы обычно непрозрачны и светятся; как правило, именно их излучение мы видим, глядя на нейтронную звезду в телескоп.

Наконец, у нейтронных звёзд есть магнитное поле. Типичная напряжённость которого в ~10¹² раз превосходит земную. Давление такого поля составляет ~10¹⁶ атмосфер. Этого достаточно, чтобы плющить атомы, заставляя их электронные оболочки вытягиваться повдоль поля. И вызывать к жизни химические связи, немыслимые на Земле:

«Сильное магнитное поле делает стабильной молекулу He₂ и её ионы He₂⁺, He₂²⁺, и He₂³⁺, которые не существуют вне магнитного поля.» Хотя, «при плотностях, температурах и магнитных полях, характерных для нейтронных звёзд, содержание таких молекулярных ионов крайне мало…» Но, далее, на стр. 818: «Рудерман [512] предположил, что сильное магнитное поле может стабилизировать полимерные цепочки, вытянутые вдоль магнитных силовых линий, и что притяжение этих цепочек друг к другу из-за диполь-дипольного взаимодействия может вести к образованию конденсированного состояния. Последующие работы показали, что в полях B ~ 10¹² — 10¹³ Гс такие цепочки действительно формируются, но только из химических элементов легче кислорода, а их полимеризация в конденсированную фазу происходит либо в сверхсильном поле, либо при сравнительно низкой температуре…«. Далее, «<…>Медин и Лай <...> в [359] рассчитали равновесную плотность насыщенного пара для атомов и полимерных цепочек гелия, углерода и железа над соответствующими конденсированными поверхностями <...>» и показали, что их существование совместимо с условиями вблизи поверхностей нейтронных звёзд. Похожие предположения, кстати, высказывались^[600] Донгом Лаи (Dong Lai) и в отношении химии атмосфер белых карликов.

То есть да, новая химия. «Полимеры гелия в сильном магнитном поле». А где полимеры, там можно представить хранение информации на молекулярном уровне. Только вот какой фантаст сможет это вообразить и качественно описать? Нет, ввести в действие «нейтроноидов» — раз плюнуть. Но кто сможет сделать их убедительными? Кто сможет, начиная с физики, выстроить всю химию, биологию, общество, психологию и интригу? Кто, наконец, сумеет перешагнуть пропасть мировосприятия между существом, живущим в вырожденной нейтронной жидкости, и нами?

Правильно. Вот потому, наверное, (почти?) и нет таких произведений. Читайте Ландау, он куда более крышервущ и убедителен.

Однако кое-что полезное из этого мысленного эксперимента извлечь всё-таки можно. А именно, ввести классификацию цивилизаций по устойчивости образующей их материи к межзвёздной среде.

Класс 1. Стабильные. Они прекрасно переживают условия межзвёздного путешествия. Воображаемый пример: какие-нибудь мыслящие камни.

Класс 2. Его носители вакуума не переносят. Но у них под руками есть материя, из которой можно изготовить космический корабль. Это мы. Металл, стекло и керамика устойчивы в космосе.

Класс 3. Запертые. И они, и вся их материя распадается вне привычных условий. Им даже скафандр сделать не из чего. Гипотетические жители недр Юпитера или нейтронных звёзд попадают в этот класс. Всё вещество, им доступное, вне колоссальных давлений просто перейдёт в другое агрегатное состояние.

Поэтому, если бы я был жителем нейтронной звезды, я бы всё-таки задумался о модуляции радиосигнала пульсара с целью коммуникации с себе подобными. Раз уж не летать, то никак нельзя такой мощный (пусть и узконаправленный) источник оставлять без использования. Ведь это же их единственный шанс преодолеть межзвёздные расстояния хотя бы информационно.
 

Через миллиард лет после конца света

Типичная каменная планета на 1-6% по весу состоит из кальция^[15]. Для определённости примем, что на 3%.

0.187% естественного кальция составляет^[610] изотоп Ca-48, обладающий слабой естественной радиоактивностью. Период его полураспада громаден: 6*10¹⁹ лет. Каждый распад выделяет энергию 4.27 MeV, из которых порядка 3 MeV приходится на позитроны^[620], и следовательно, переходит в тепло.

Исходя из этих данных вычисляем, что кубометр типичной каменной планеты выделяет 7*10^-16 Ватт тепла от кальциевого распада. В сравнении с потоком энергии от Солнца или естественной радиоактивности цифра, конечно, ничтожная.

Но ни Солнце, ни уран не вечны.

Представим: на дворе 1-е января 3*10¹⁹-го года нашей эры. Уран, торий, калий давным-давно распались и не существуют в природе. Неисчислимые эпохи назад  догорели все звёзды. Реликтовое излучение охладилось до нанокельвинов. Неясно, правда, с какой скоростью остывают белые карлики; но во всяком случае уже к ~10¹⁵-му году они не горячее 5 К^[530] и разбросаны друг от друга дальше, чем современные галактики. Вселенная пуста, холодна, темна, безвидна.

Но планеты, разделённые друг от друга страшными расстояниями, планеты продолжают тихонечко греть и светить. За счёт продолжающегося распада кальция.

Легко подсчитать, что благодаря этому источнику энергии тело размером с Землю сможет поддерживать температуру поверхности на уровне ~0.4 K. Учтём, что при ~1 К теплопроводности каменистых материалов падают до 10^-2 — 10^-3 Вт/м²*К^[520]. Что означает, как опять же нетрудно вычислить, что недра такой планеты могут быть разогреты до 1-5 градусов тепла!

Вы спросите — ну что интересного может происходить на таком тепле холоде? Не знаю. Но знаю, что у этих явлений есть в запасе ~10²⁰ лет. Время, несопоставимое ни с чем знакомым, ведь у сегодняшней Вселенной и секунд-то столько не наберётся. Какие явления, слишком медленные, чтобы даже рассматривать их сегодня как процессы, станут доминировать на таких временных масштабах?

Ведь никто не отменял диффузию в твёрдом теле, в том числе квантовую, и диффузию с реакцией, способную создавать самоупорядоченные структуры^[510]. Если транспорт веществ земной микроскопической жизни основан на диффузии в жидкости, то можно ли вообразить то же самое в твёрдом теле, только в 10¹¹ раз медленнее?

Никто не отменял переход металлов в сверхпроводимость, с последующей циркуляцией захваченных ими токов.

Наконец, никто не отменял гелий. Который при указанных температурах может сжижаться, переходить в сверхтекучее состояние, просачиваться сквозь поры и трещины в камнях, замерзать и вновь оттаивать, сжиматься и расширяться, обеспечивая, таким образом, перенос вещества в масштабах планеты.

Вы спросите, откуда там гелий? Так из висмута! Земля эдак на одну миллиардную по массе состоит из него. А висмут целиком состоит из альфа-активного изотопа Bi-209 с периодом полураспада 1.9×10¹⁹ лет. А альфа-частицы — это гелий. К 3*10¹⁹-му году большая часть висмута распадётся, выделив около 10¹⁴ килограммов гелия, чего хватит на скромную атмосферку. Удержать же её при таких температурах не то что Земля, любая Церера сможет.

Моё человеческое воображение возбуждённо ворочается, чуя необычные возможности, открываемые такой прорвой незанятого времени… и пасует. Пасует и теряется, не нащупывая ни физической, ни бытовой интуиции на таких масштабах.

Закроем же этот занавес, оставив будущее будущему, и вернёмся к более повседневным вопросам.

Завершение следует.