Den inre strukturen i solsystemets yttre planeter är fortfarande ett mysterium för astronomer. När det gäller Jupiter hjälper NASA: s rymdsond Juno att lösa detta mysterium. Och i det markbundna laboratoriet har forskare upptäckt ledtrådar som gör att du kan se djupt in i isjättarna Neptunus och Uranus. Och det visade sig att det kan bli diamantregn där.
Ett internationellt forskargrupp kunde visa att kolväteföreningar delas in i de gigantiska isplaneterna - Neptunus och Uranus. Detta gör kolet till ett "diamantregn".
Forskare vid Helmholtz Center i Dresden-Rossendorf (HZDR), i samarbete med sina tyska och amerikanska kollegor, kunde visa att "diamantregn" bildas inuti isjättarna i vårt solsystem. Med hjälp av röntgenlaser med extremt hög effekt och andra anläggningar vid Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC) i Kalifornien simulerades de interna strukturerna för rymdjättar. Tack vare detta kunde forskare för första gången i realtid observera nedbrytningen av kolväten och omvandlingen av kol till diamant.
En solid kärna insvept i täta lager av "is" - så ser den inre strukturen av planeterna Neptunus och Uranus ut. Sådan rymdis består främst av kolväten, vatten och ammoniak. Och under mycket lång tid har astrofysiker lutat att tro att det extremt höga trycket, som här råder på cirka 10 tusen kilometer djup, leder till nedbrytning av kolväten. I det här fallet bildas diamanter som sjunker längre ner i planets djup.
"Hittills har ingen kunnat observera en sådan lysande nederbörd i ett direkt experiment", säger Dr. Dominik Kraus från HZDR. Men det var i detta som han och den internationella forskargruppen som leddes av honom lyckades. "Under vår forskning placerade vi en speciell form av plast - polystyren, som är baserad på en blandning av kol och väte, under förhållanden som liknar dem som finns i Neptunus och Uranus."
För att uppnå önskad effekt skickade de två chockvågor genom proverna, upphetsade av extremt kraftfulla optiska lasrar i kombination med en SLAC-röntgenkälla som heter Linear Coherent Light Source (LCLS). Som ett resultat komprimerades plasten under ett tryck av cirka 150 Gigapascal vid en temperatur av cirka 5000 grader Celsius. "Den första, svagare och långsammare vågen övergick av den kraftfullare andra vågen", förklarar Kraus. "Och det är just då båda vågorna skär varandra att de flesta diamanter bildas."
Eftersom detta bara varar en bråkdel av en sekund använde forskarna höghastighetsröntgendefraktion, vilket gav dem en ögonblicksbild av diamantbildning och kemiska processer. "Experiment visar att nästan alla kolatomer kombineras till nanostorade diamantstrukturer", sammanfattar forskaren från Dresden. Baserat på resultaten föreslår studiens författare att diamanter på Neptunus och Uranus bildar betydligt större strukturer och sakta sätter sig i kärnan på planeten under tusentals och miljoner år.
"Från de experimentella data vi har fått kan vi också hämta information som gör det möjligt för oss att bättre förstå strukturen hos exoplaneter", säger Kraus om utsikterna. För sådana rymdjättar utanför solsystemet kan forskare bara mäta två parametrar: massan, som bestäms utifrån positionssvängningarna hos deras moderstjärna, och radien, som astronomer hämtar från dimningen som uppstår när planeten passerar framför stjärnskivan. Förhållandet mellan de två värdena gör att du kan få de ursprungliga uppgifterna om den kemiska strukturen, till exempel om planeten består av lätta eller tunga element.
Kampanjvideo:
"Och de kemiska processerna inuti planeterna berättar för oss aspekter som gör att vi kan dra slutsatser om de grundläggande egenskaperna hos dessa himmellegemer", fortsätter Kraus.”Tack vare detta kan vi förbättra och förbättra de planetmodeller som redan finns inom vetenskapen. Studier visar att modellering ännu inte kan betraktas som en särskilt noggrann metod."
Men tillsammans med astrofysisk kunskap kan experiment också ha praktiskt värde. Till exempel kan nanodiamanter som bildas under experiment användas för elektroniska instrument och inom medicinsk teknik, såväl som skärmaterial i industriproduktion. Hittills tillverkas konstgjorda diamanter med explosioner. Men att göra dem med laserteknik kommer att göra sådan produktion renare och mer kontrollerad.
Forskarna skrev om forskningsresultaten i en artikel som publicerades i tidskriften Nature Astronomy.