Diamantregn på gigantiske iskolde planeter kan være mere almindelig end tidligere antaget

En ny undersøgelse har fundet ud af, at "diamantregn", en eksotisk type nedbør, der længe har været antaget, på isgigantiske planeter, kunne være mere almindelig end hidtil antaget.

I et tidligere eksperiment efterlignede forskere de ekstreme temperaturer og tryk, der findes dybt inde i isgiganterne Neptun og Uranus, og observerede for første gang diamantregn, mens den blev dannet.

Ved at undersøge denne proces i et nyt materiale, der mere ligner den kemiske sammensætning af Neptun og Uranus, opdagede forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og deres kolleger, at tilstedeværelsen af ​​ilt gør diamantdannelse mere sandsynlig, hvilket tillader dem at dannes og vokse. ved en bredere vifte af forhold og på flere planeter.

Den nye undersøgelse giver et mere komplet billede af, hvordan diamantregn dannes på andre planeter, og her på Jorden kan føre til en ny måde at fremstille nanodiamanter på, som har en meget bred vifte af anvendelser inden for medicinafgivelse, medicinske sensorer, ikke-invasiv kirurgi, bæredygtig fremstilling og kvanteelektronik.

"Det tidligere papir var første gang, vi direkte så diamantdannelse fra nogen blandinger," sagde Siegfried Glenzer, direktør for High Energy Density Division hos SLAC. "Siden da har der været en del eksperimenter med forskellige rene materialer. Men inde i planeter er det meget mere kompliceret; der er mange flere kemikalier i blandingen. Så det, vi ville finde ud af her, var hvilken slags effekt af disse yderligere kemikalier."

Holdet, ledet af Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og University of Rostock i Tyskland, samt Frankrigs École Polytechnique i samarbejde med SLAC, har i dag offentliggjort resultaterne i Science Advances .

Begynder med plastik

I det forrige eksperiment studerede forskerne et plastikmateriale lavet af en blanding af brint og kulstof, nøglekomponenter i den overordnede kemiske sammensætning af Neptun og Uranus. Men udover kulstof og brint indeholder isgiganter andre grundstoffer, såsom store mængder ilt.

I det nyere eksperiment brugte forskerne PET-plastik - ofte brugt i fødevareemballage, plastikflasker og -beholdere - til at gengive sammensætningen af ​​disse planeter mere nøjagtigt.

"PET har en god balance mellem kulstof, brint og oxygen for at simulere aktiviteten i isplaneter," siger Dominik Kraus, fysiker ved HZDR og professor ved University of Rostock.

Oxygen er en diamants bedste ven

Forskerne brugte en kraftig optisk laser ved Matter in Extreme Conditions (MEC) instrumentet ved SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) til at skabe stødbølger i PET. Derefter undersøgte de, hvad der skete i plastikken med røntgenimpulser fra LCLS.

Ved hjælp af en metode kaldet røntgendiffraktion så de, hvordan atomerne i materialet omarrangeredes i små diamantområder. De brugte samtidig en anden metode kaldet small-angle spredning, som ikke var blevet brugt i det første papir, til at måle, hvor hurtigt og store disse regioner voksede. Ved hjælp af denne ekstra metode var de i stand til at bestemme, at disse diamantområder voksede op til et par nanometer brede. De fandt ud af, at med tilstedeværelsen af ​​ilt i materialet var nanodiamanterne i stand til at vokse ved lavere tryk og temperaturer end tidligere observeret.

"Effekten af ​​ilten var at fremskynde spaltningen af ​​kulstof og brint og dermed fremme dannelsen af ​​nanodiamanter," sagde Kraus. "Det betød, at kulstofatomerne lettere kunne kombineres og danne diamanter."

Idede planeter

Forskerne forudsiger, at diamanter på Neptun og Uranus ville blive meget større end de nanodiamanter, der blev produceret i disse eksperimenter - måske millioner af karat i vægt. Over tusinder af år kan diamanterne langsomt synke gennem planeternes islag og samles til et tykt lag bling omkring den faste planetkerne.

Holdet fandt også bevis for, at der i kombination med diamanterne også kunne dannes superionisk vand. Denne nyligt opdagede fase af vand, ofte beskrevet som "varm, sort is," eksisterer ved ekstremt høje temperaturer og tryk. Under disse ekstreme forhold bryder vandmolekyler fra hinanden, og iltatomer danner et krystalgitter, hvori brintkernerne flyder frit rundt. Fordi disse fritsvævende kerner er elektrisk ladede, kan superionisk vand lede elektrisk strøm og kunne forklare de usædvanlige magnetfelter på Uranus og Neptun.

Resultaterne kan også påvirke vores forståelse af planeter i fjerne galakser, da videnskabsmænd nu mener, at isgiganter er den mest almindelige form for planet uden for vores solsystem.

"Vi ved, at Jordens kerne overvejende er lavet af jern, men mange eksperimenter undersøger stadig, hvordan tilstedeværelsen af ​​lettere grundstoffer kan ændre betingelserne for smeltning og faseovergange," sagde SLAC-forsker og samarbejdspartner Silvia Pandolfi. "Vores eksperiment viser, hvordan disse elementer kan ændre de forhold, hvorunder diamanter dannes på isgiganter. Hvis vi ønsker at modellere planeter nøjagtigt, så er vi nødt til at komme så tæt som muligt på den faktiske sammensætning af planetens indre."

Diamanter i det ru

Forskningen peger også på en potentiel vej frem for at producere nanodiamanter ved laserdrevet stødkomprimering af billig PET-plast. Selvom de allerede er inkluderet i slibemidler og polermidler, kan disse små perler i fremtiden potentielt bruges til kvantesensorer, medicinske kontrastmidler og reaktionsacceleratorer til vedvarende energi.

"Den måde, nanodiamanter i øjeblikket fremstilles på, er ved at tage en masse kulstof eller diamant og sprænge det i luften med sprængstoffer," sagde SLAC-forsker og samarbejdspartner Benjamin Ofori-Okai. "Dette skaber nanodiamanter af forskellige størrelser og former og er svært at kontrollere. Det, vi ser i dette eksperiment, er en anden reaktivitet af den samme art under høj temperatur og tryk. I nogle tilfælde ser det ud til, at diamanterne dannes hurtigere end andre. , hvilket tyder på, at tilstedeværelsen af ​​disse andre kemikalier kan fremskynde denne proces. Laserproduktion kunne tilbyde en renere og lettere kontrolleret metode til at producere nanodiamanter. Hvis vi kan designe måder at ændre nogle ting ved reaktiviteten på, kan vi ændre, hvor hurtigt de form og derfor hvor store de bliver."

Dernæst planlægger forskerne lignende eksperimenter med flydende prøver indeholdende ethanol, vand og ammoniak - hvad Uranus og Neptun for det meste er lavet af - som vil bringe dem endnu tættere på at forstå præcis, hvordan diamantregn dannes på andre planeter.

"Det faktum, at vi kan genskabe disse ekstreme forhold for at se, hvordan disse processer udspiller sig i meget hurtige, meget små skalaer, er spændende," sagde SLAC-forsker og samarbejdspartner Nicholas Hartley. "At tilføje ilt bringer os tættere end nogensinde på at se det fulde billede af disse planetariske processer, men der er stadig mere arbejde at gøre. Det er et skridt på vejen mod at få den mest realistiske blanding og se, hvordan disse materialer virkelig opfører sig på andre planeter. " + Udforsk yderligere

Forskere skaber 'diamantregn', der dannes i det indre af iskolde gigantiske planeter