In een experiment dat is ontworpen om de omstandigheden diep in de ijzige reuzenplaneten van ons zonnestelsel na te bootsen, wetenschappers waren in staat om voor het eerst "diamantregen" waar te nemen toen deze zich vormde onder hogedrukomstandigheden. Extreem hoge druk perst waterstof en koolstof uit het binnenste van deze planeten om solide diamanten te vormen die langzaam verder naar het binnenste zinken.

De glinsterende neerslag is al lang verondersteld om meer dan 5, 000 mijl onder het oppervlak van Uranus en Neptunus, gemaakt van veel voorkomende mengsels van alleen waterstof en koolstof. Het interieur van deze planeten is vergelijkbaar - beide bevatten vaste kernen omgeven door een dichte smeltende sneeuw van verschillende soorten ijs. Met de ijzige planeten in ons zonnestelsel, "ijs" verwijst naar waterstofmoleculen die zijn verbonden met lichtere elementen, zoals koolstof, zuurstof en/of stikstof.

Onderzoekers simuleerden de omgeving binnen deze planeten door schokgolven in plastic te creëren met een intense optische laser bij het Matter in Extreme Conditions (MEC) -instrument bij de röntgenvrije-elektronenlaser van het SLAC National Accelerator Laboratory, de Linac coherente lichtbron (LCLS).

In het experiment, ze konden zien dat bijna elk koolstofatoom van het oorspronkelijke plastic was verwerkt in kleine diamantstructuren tot enkele nanometers breed. Op Uranus en Neptunus, de auteurs van het onderzoek voorspellen dat diamanten veel groter zouden worden, misschien miljoenen karaat in gewicht. Onderzoekers denken ook dat het mogelijk is dat gedurende duizenden jaren, de diamanten zinken langzaam door de ijslagen van de planeten en vormen een dikke laag rond de kern.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurastronomie op 21 augustus.

"Eerder, onderzoekers konden alleen maar aannemen dat de diamanten waren gevormd, " zei Dominik Kraus, wetenschapper bij Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf en hoofdauteur van de publicatie. "Toen ik de resultaten van dit laatste experiment zag, het was een van de beste momenten van mijn wetenschappelijke carrière."

Eerdere experimenten die probeerden diamantregen in vergelijkbare omstandigheden te recreëren, waren niet in staat om metingen in realtime vast te leggen, vanwege het feit dat we momenteel deze extreme omstandigheden kunnen creëren waaronder kleine diamanten zich slechts voor een zeer korte tijd in het laboratorium vormen. De hoogenergetische optische lasers bij MEC gecombineerd met LCLS's röntgenpulsen - die slechts femtoseconden duren, of quadriljoensten van een seconde - stelden de wetenschappers in staat om de chemische reactie direct te meten.

Andere eerdere experimenten zagen ook hints van koolstofvormend grafiet of diamant bij lagere drukken dan die gecreëerd in dit experiment, maar met andere materialen die werden geïntroduceerd en de reacties veranderden.

De resultaten die in dit experiment worden gepresenteerd, zijn de eerste ondubbelzinnige waarneming van diamantvorming onder hoge druk uit mengsels en komen overeen met theoretische voorspellingen over de omstandigheden waaronder dergelijke neerslag kan ontstaan ​​en zullen wetenschappers betere informatie verschaffen om andere werelden te beschrijven en te classificeren.

Kunststof in diamant veranderen

In het experiment, plastic simuleert verbindingen gevormd uit methaan - een molecuul met slechts één koolstof gebonden aan vier waterstofatomen die de duidelijke blauwe gloed van Neptunus veroorzaakt.

Het team bestudeerde een plastic materiaal, polystyreen, dat is gemaakt van een mengsel van waterstof en koolstof, belangrijke componenten van de algehele chemische samenstelling van deze planeten.

In de tussenlagen van ijzige reuzenplaneten, methaan vormt koolwaterstofketens (waterstof en koolstof) waarvan lang werd aangenomen dat ze zouden reageren op hoge druk en temperatuur in diepere lagen en de sprankelende neerslag zouden vormen.

De onderzoekers gebruikten een krachtige optische laser om paren schokgolven in het plastic te creëren met de juiste combinatie van temperatuur en druk. De eerste schok is kleiner en langzamer en wordt ingehaald door de sterkere tweede schok. Wanneer de schokgolven elkaar overlappen, dat is het moment waarop de druk piekt en wanneer de meeste diamanten zich vormen, zei Kraus.

Tijdens die momenten, het team onderzocht de reactie met pulsen van röntgenstralen van LCLS die slechts 50 femtoseconden duren. Hierdoor konden ze de kleine diamanten zien die zich in fracties van een seconde vormen met een techniek die femtoseconde röntgendiffractie wordt genoemd. De röntgenfoto's geven informatie over de grootte van de diamanten en de details van de chemische reactie die plaatsvindt.

"Voor dit experiment we hadden LCLS, de helderste röntgenbron ter wereld, zei Siegfried Glenzer, hoogleraar fotonenwetenschap bij SLAC en een co-auteur van het artikel. "Je hebt deze intense, snelle pulsen van röntgenstralen om de structuur van deze diamanten ondubbelzinnig te zien, omdat ze maar zo kort in het laboratorium worden gevormd."

Nanodiamanten aan het werk

Wanneer astronomen exoplaneten buiten ons zonnestelsel observeren, ze zijn in staat om twee primaire eigenschappen te meten:de massa, die wordt gemeten door het wiebelen van sterren, en straal, waargenomen vanuit de schaduw wanneer de planeet voor een ster passeert. De relatie tussen de twee wordt gebruikt om een ​​planeet te classificeren en te helpen bepalen of deze uit zwaardere of lichtere elementen kan bestaan.

"Met planeten, de relatie tussen massa en straal kan wetenschappers nogal wat vertellen over de chemie, "Zei Kraus. "En de chemie die in het binnenste plaatsvindt, kan aanvullende informatie verschaffen over enkele van de bepalende kenmerken van de planeet."

Informatie uit studies zoals deze over hoe elementen zich vermengen en samenklonteren onder druk in het binnenste van een bepaalde planeet, kan de manier veranderen waarop wetenschappers de relatie tussen massa en straal berekenen, waardoor wetenschappers individuele planeten beter kunnen modelleren en classificeren. De vallende "diamantenregen" kan ook een extra energiebron zijn, warmte genereren terwijl ze naar de kern zinken.

"We kunnen de planeten niet binnengaan en ernaar kijken, dus deze laboratoriumexperimenten vullen satelliet- en telescoopobservaties aan, ' zei Kraus.

De onderzoekers zijn van plan om dezelfde methoden ook toe te passen om te kijken naar andere processen die plaatsvinden in het binnenste van planeten.

Naast de inzichten die ze geven in de planetaire wetenschap, nanodiamanten die op aarde zijn gemaakt, kunnen mogelijk worden geoogst voor commerciële doeleinden - toepassingen die betrekking hebben op medicijnen, wetenschappelijke apparatuur en elektronica. Momenteel, nanodiamanten worden commercieel geproduceerd uit explosieven; laserproductie kan een schonere en gemakkelijker te controleren methode bieden.

Onderzoek dat materie comprimeert, zoals deze studie, helpt wetenschappers ook om fusie-experimenten te begrijpen en te verbeteren waarbij vormen van waterstof worden gecombineerd om helium te vormen om enorme hoeveelheden energie te genereren. Dit is het proces dat de zon en andere sterren van brandstof voorziet, maar dat nog op een gecontroleerde manier moet worden gerealiseerd voor energiecentrales op aarde.

In sommige fusie-experimenten, een brandstof van twee verschillende vormen van waterstof is omgeven door een plastic laag die tijdens een kortstondige compressiefase omstandigheden bereikt die vergelijkbaar zijn met het binnenste van planeten. Het LCLS-experiment op plastic suggereert nu dat chemie in dit stadium een ​​belangrijke rol kan spelen.

"Simulaties leggen niet echt vast wat we op dit gebied waarnemen, " zei Glenzer. "Onze studie en anderen leveren bewijs dat het samenklonteren van materie in dit soort hogedrukomstandigheden een kracht is waarmee rekening moet worden gehouden."