Forskere skaber diamantregn, der dannes i det indre af isnende kæmpe planeter

I et eksperiment designet til at efterligne forholdene dybt inde i de isnende kæmpe planeter i vores solsystem, forskere var i stand til at observere "diamantregn" for første gang, da det dannede sig under højtryksforhold. Ekstremt højt tryk klemmer brint og kulstof, der findes i det indre af disse planeter, til dannelse af solide diamanter, der langsomt synker længere ned i det indre.

Den glitrende nedbør har længe været antaget at opstå mere end 5, 000 miles under overfladen af ​​Uranus og Neptun, skabt af almindeligt fundet blandinger af bare brint og kulstof. Interiøret på disse planeter er ens - begge indeholder faste kerner omgivet af en tæt slush af forskellige is. Med de iskolde planeter i vores solsystem, "is" refererer til brintmolekyler forbundet til lettere elementer, såsom kulstof, ilt og/eller nitrogen.

Forskere simulerede miljøet inde i disse planeter ved at skabe stødbølger i plast med en intens optisk laser ved Matter in Extreme Conditions (MEC) -instrumentet på SLAC National Accelerator Laboratory's røntgenfri-elektronlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS).

I forsøget, de var i stand til at se, at næsten hvert carbonatom i den originale plast blev inkorporeret i små diamantstrukturer op til et par nanometer brede. Om Uranus og Neptun, undersøgelsesforfatterne forudsiger, at diamanter ville blive meget større, måske millioner af karat i vægt. Forskere mener også, at det er muligt, at over tusinder af år, diamanterne synker langsomt gennem planternes islag og samles til et tykt lag omkring kernen.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Natur Astronomi den 21. august.

"Tidligere har forskere kunne kun antage, at diamanterne havde dannet sig, "sagde Dominik Kraus, videnskabsmand ved Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf og hovedforfatter på publikationen. "Da jeg så resultaterne af dette seneste forsøg, det var et af de bedste øjeblikke i min videnskabelige karriere. "

Tidligere forsøg, der forsøgte at genskabe diamantregn under lignende forhold, var ikke i stand til at fange målinger i realtid, på grund af det faktum, at vi i øjeblikket kan skabe disse ekstreme forhold, hvor små diamanter kun dannes i meget kort tid i laboratoriet. De højenergiske optiske lasere på MEC kombineret med LCLS's røntgenpulser-som kun varer femtosekunder, eller kvadrilliondeler af et sekund - tillod forskerne at måle den kemiske reaktion direkte.

Andre tidligere forsøg så også antydninger af kulstofdannende grafit eller diamant ved lavere tryk end dem, der blev skabt i dette eksperiment, men med andre materialer indført og ændring af reaktionerne.

Resultaterne præsenteret i dette eksperiment er den første entydige observation af højtryksdiamantdannelse fra blandinger og er enige i teoretiske forudsigelser om de betingelser, under hvilke sådan nedbør kan dannes, og vil give forskere bedre information til at beskrive og klassificere andre verdener.

Gør plast til diamant

I forsøget, plast simulerer forbindelser dannet af metan - et molekyle med kun et carbon bundet til fire brintatomer, der forårsager den tydelige blå støbning af Neptun.

Holdet studerede et plastmateriale, polystyren, der er fremstillet af en blanding af hydrogen og kulstof, nøglekomponenter i disse planeters samlede kemiske sammensætning.

I de mellemliggende lag af isnende kæmpe planeter, metan danner kulbrinte (brint og kulstof) kæder, der længe blev antaget at reagere på højt tryk og temperatur i dybere lag og danne den funklende nedbør.

Forskerne brugte kraftfuld optisk laser til at skabe par stødbølger i plasten med den korrekte kombination af temperatur og tryk. Det første stød er mindre og langsommere og overhalet af det stærkere andet stød. Når chokbølgerne overlapper hinanden, det er det øjeblik, trykket topper, og når de fleste diamanter dannes, Sagde Kraus.

I de øjeblikke, holdet undersøgte reaktionen med pulser af røntgenstråler fra LCLS, der varer kun 50 femtosekunder. Dette gav dem mulighed for at se de små diamanter, der dannes i brøkdele af et sekund med en teknik kaldet femtosekund røntgendiffraktion. Røntgenbillederne giver oplysninger om diamanternes størrelse og detaljerne i den kemiske reaktion, når den forekommer.

"Til dette eksperiment, vi havde LCLS, den klareste røntgenkilde i verden, "sagde Siegfried Glenzer, professor i fotonik ved SLAC og medforfatter af papiret. "Du har brug for disse intense, hurtige pulser af røntgenstråler for utvetydigt at se strukturen af ​​disse diamanter, fordi de kun dannes i laboratoriet i så meget kort tid. "

Nanodiamanter på arbejde

Når astronomer observerer eksoplaneter uden for vores solsystem, de er i stand til at måle to primære træk - massen, som måles ved stjerners vingle, og radius, observeret fra skyggen, når planeten passerer foran en stjerne. Forholdet mellem de to bruges til at klassificere en planet og hjælpe med at afgøre, om den kan være sammensat af tungere eller lettere elementer.

"Med planeter, forholdet mellem masse og radius kan fortælle forskere en hel del om kemien, "Kraus sagde." Og den kemi, der sker i det indre, kan give yderligere oplysninger om nogle af de definerende træk på planeten. "

Oplysninger fra undersøgelser som denne om, hvordan elementer blandes og klumper sig sammen under tryk i det indre af en given planet, kan ændre måden, forskere beregner forholdet mellem masse og radius, giver forskere mulighed for bedre at modellere og klassificere individuelle planeter. Den faldende "diamantregn" kan også være en ekstra energikilde, genererer varme, mens den synker mod kernen.

"Vi kan ikke gå ind på planeterne og se på dem, så disse laboratorieforsøg supplerer satellit- og teleskopobservationer, "Sagde Kraus.

Forskerne planlægger også at anvende de samme metoder til at se på andre processer, der forekommer i planternes indre.

Udover den indsigt, de giver i planetarisk videnskab, nanodiamanter fremstillet på jorden kan potentielt høstes til kommercielle formål - anvendelser, der spænder over medicin, videnskabeligt udstyr og elektronik. I øjeblikket, nanodiamanter er kommercielt fremstillet af sprængstoffer; laserproduktion kan tilbyde en renere og lettere kontrolleret metode.

Forskning, der komprimerer stof, ligesom denne undersøgelse, hjælper også forskere med at forstå og forbedre fusionsforsøg, hvor former for brint kombineres til dannelse af helium for at generere enorme mængder energi. Dette er den proces, der brænder solen og andre stjerner op, men som endnu ikke skal realiseres på en kontrolleret måde for kraftværker på Jorden.

I nogle fusionsforsøg, et brændstof fra to forskellige former for brint er omgivet af et plastlag, der når forhold, der ligner planternes indre i løbet af et kortvarigt komprimeringstrin. LCLS -eksperimentet med plastik tyder nu på, at kemi kan spille en vigtig rolle i denne fase.

"Simuleringer fanger ikke rigtigt det, vi observerer i dette felt, "Glenzer sagde." Vores undersøgelse og andre giver bevis for, at stof, der klumper sig sammen i disse typer højtryksforhold, er en kraft, der skal regnes med. "