Неон занимает значимое место во Вселенной, являясь пятым по распространенности элементом, и его уникальные свойства становятся настоящим ключом для понимания химических и физических процессов, происходящих внутри планет-гигантов и в атмосферах звезд. Он не только помогает ученым моделировать процессы при сверхвысоких температурах и давлениях, но и открывает двери для создания новых теоретических моделей поведения вещества. Уже с давних пор исследователи по всему миру с интересом изучают необыкновенную устойчивость атомов неона в условиях экстремального сжатия. Именно эта особенность зачастую приводит к неожиданным фазовым переходам и своеобразному распределению энергии внутри газовых гигантов.
Неоновый дождь: загадки далёких планет
Уникальное явление осадков на гигантских планетах стало одним из важнейших катализаторов развития исследований свойств неона. Как показали наблюдения, в глубинах Юпитера и Сатурна этот инертный газ оказывается захваченным каплями жидкого гелия, после чего постепенно оседает в недрах небесных тел. На этих планетах в результате невероятного давления и высочайших температур неон начинает вести себя необычно: приходит в металлическое состояние, приобретая способность проводить электрический ток. На Сатурне подобный "металлизированный дождь" образует проводящий слой вокруг ядра планеты и играет важную роль в процессах теплообмена, эволюции ядра и замедления охлаждения за счет особенностей оптической непрозрачности. Именно накопление такого проводящего слоя помогает понять, почему эти планеты сохраняют свою внутреннюю энергию так долго.
Исследования Дмитрия Минакова и команды ОИВТ РАН
Среди ведущих специалистов, изучающих неон в сложных условиях, — Дмитрий Минаков, работающий в лаборатории моделирования свойств материалов ОИВТ РАН. По словам ученого, для долгого времени вопрос о границе металлизации неона оставался нерешенным в научном сообществе: теоретические прогнозы зачастую расходились, а проверка их требовала сложных и дорогостоящих экспериментов с ударными волнами. Благодаря применению современных вычислительных методов, команде ОИВТ РАН удалось охватить как диапазон давления и температуры, доступный для лабораторных проверок, так и экстремальные значения, которые невозможно получить экспериментально. Эти уникальные расчеты позволили уточнить, при каких именно условиях неон меняет свои электронные свойства и переходит в новое, "металлическое" состояние.
Поиск предела: плавление неона при гигантских давлениях
Важным этапом исследования стало построение так называемой кривой плавления неона во всём диапазоне фазовых состояний. Такое моделирование стало настоящим научным прорывом, так как позволило выяснить, что при плотности в 14 граммов на кубический сантиметр температура плавления неона достигает 20 тысяч кельвинов, а давление превышает 30 миллионов атмосфер. Для определения этих значений использовался продвинутый Z-метод. Георгий Демьянов, также сотрудник ОИВТ РАН, отмечает, что традиционные методы — например, критерий Линдемана — недостаточно точны для благородных газов. Новые компьютерные расчеты позволили сопоставить кривую плавления с экспериментальными данными и показать заметные расхождения между различными теоретическими аппроксимациями.
Сотрудничество с ведущими лабораториями мира
Результаты о состоянии неона проверялись посредством сравнения с данными ударно-волновых экспериментов, проведенных в Сандийской лаборатории (США). Следует отметить, что организация «Сандийская лаборатория» признана запрещенной в Российской Федерации. Несмотря на это, ученые из России построили модель, обладающую впечатляющей точностью, в полной мере воспроизводя результаты ударных экспериментов: адиабаты ударного сжатия и параметры повторных фазовых переходов были получены с минимальными отклонениями. Такой высокий результат подтверждает достоверность применяемых методов и позволяет уверенно применять их к анализу природных условий внутри планет.
Инновационные подходы к расчету электропроводности
Еще одним достижением стало внедрение новой техники для вычисления электропроводности неона в условиях сильных межчастичных взаимодействий и вырождения электронных оболочек. Был предложен строгий математический критерий для выбора параметров моделирования, который дал шанс впервые получить физически обоснованные значения электропроводности и корректно оценить возможные ошибки вычислений. Как показал анализ, процесс металлизации неона может наблюдаться только при экстремально высоких температурах — до 105 тысяч кельвинов и плотностях до 14 г/см³. Интересно, что на практике при экспериментах изоэнтропического сжатия температура зачастую оказывается слишком низкой, чтобы достигнуть металлической проводимости, даже при давлениях в 27 миллионов атмосфер — именно это и объясняет отсутствие наблюдаемой электропроводности в ряде предыдущих опытов.
Вклад МФТИ и перспективы для науки
Павел Левашов, заведующий кафедрой физики высокотемпературных процессов МФТИ, подчеркивает: результаты исследования помогли не только построить всестороннее уравнение состояния неона, но и связать теоретическую работу с реальными экспериментами, даже в самых сложных условиях многократного ударного сжатия. Команда продемонстрировала высокую точность расчетов, что дает прочную фундаментальную базу для использования моделей при изучении физических процессов в недрах гигантских планет и в других областях науки о веществах в экстремальных условиях. Это открывает широкие возможности для создания новых прогрессивных теорий и прикладных исследований во многих областях современной астрономии и физики.
Источник: naked-science.ru
