Reuzenplaneten zoals Uranus en Neptunus bevatten mogelijk veel minder vrije waterstof dan eerder werd aangenomen. Onderzoekers van het Duitse Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) dreven schokgolven door twee soorten plastic om dezelfde temperaturen en drukken te bereiken die aanwezig zijn in dergelijke planeten, en observeerde het gedrag met behulp van ultrasterke röntgenlaserpulsen. Onverwacht, een van deze kunststoffen behield zelfs bij de meest extreme druk zijn kristallijne structuur. Omdat het ijzige gigantische interieur uit dezelfde componenten bestaat als het plastic, planetaire modellen moeten mogelijk gedeeltelijk worden heroverwogen, zoals gerapporteerd in het journaal Wetenschappelijke rapporten .

Koolstof en waterstof behoren tot de meest voorkomende elementen in het heelal, en zijn belangrijke bestanddelen van ijzige reuzenplaneten zoals Uranus en Neptunus. In de buitenste atmosfeer, deze atomen komen voor in de vorm van methaangas, maar dieper van binnen, hoge druk kan leiden tot complexere koolwaterstofstructuren. Het voorspellen van de fasen en structuren die materiaal onder deze omstandigheden aanneemt, is een van de grote vragen van planetair onderzoek.

Om de structuur van de ijsreuzen beter te begrijpen, een internationaal team onder leiding van de twee HZDR-onderzoekers, Dr. Nicholas Hartley en Dr. Dominik Kraus, onderzocht in een laboratoriumexperiment twee soorten plastic:polystyreen en polyethyleen. Deze materialen zijn chemisch vergelijkbaar met de koolwaterstof in de planeten. In het SLAC National Accelerator Laboratory in de VS, de wetenschappers stelden de monsters bloot aan omstandigheden die voorspeld waren rond 10, 000 kilometer onder het oppervlak van Neptunus en Uranus. Op deze diepte, de druk is bijna net zo hoog als in de kern van de aarde en 2 miljoen keer hoger dan de atmosferische druk op het aardoppervlak.

Extreem hoge drukken bereiken

Bij zulke hoge drukken en temperaturen, de enige mogelijke structuur die de onderzoekers verwachtten was diamant, of dat de monsters zouden worden gesmolten. In plaats daarvan, ze observeerden stabiele koolwaterstofstructuren tot de hoogste bereikte druk, maar alleen voor de polyethyleenmonsters. "We waren erg verrast door dit resultaat, " zegt Hartley. "We hadden niet verwacht dat de verschillende begintoestand zo'n groot verschil zou maken onder zulke extreme omstandigheden. Het is pas sinds kort, met de ontwikkeling van helderdere röntgenbronnen, dat we deze materialen kunnen bestuderen. We waren de eersten die dachten dat het mogelijk zou zijn - en dat was het ook."

Aangezien de extreme omstandigheden in de ijsreuzen op aarde slechts voor een kort moment kunnen worden bereikt, de onderzoekers hebben bliksemsnelle meetmethoden nodig. Wereldwijd zijn er slechts een handvol ultrasnelle röntgenlaserfaciliteiten, en tijd voor metingen is zeldzaam en zeer gevraagd. Kraus en Hartley kregen in totaal drie diensten van 12 uur voor hun experimenten, en moest dus elke minuut benutten om zoveel mogelijk meetruns uit te voeren. Het schokken van het monster en de sonde met de röntgenlaser duurt slechts een paar miljardsten van een seconde.

Ook tijdens de experimenten konden de onderzoekers de eerste resultaten herkennen:"We waren erg enthousiast omdat, zoals gehoopt, polystyreen vormde diamantachtige structuren van koolstof. Voor polyethyleen, echter, we zagen geen diamanten voor de omstandigheden die in dit experiment werden bereikt. In plaats daarvan, er was een nieuwe structuur die we eerst niet konden verklaren, " herinnert Hartley zich. Door de gegevens te vergelijken met eerdere resultaten bij lagere drukken, ze identificeerden het als een stabiele structuur van polyethyleen, die was gezien bij vijf keer lagere druk, en alleen bij omgevingstemperaturen.

De ontdekking toont het belang aan van een betere karakterisering van de temperatuur- en drukomstandigheden in ijsreuzen, en de chemie waartoe deze leiden, om hun structuur en fysieke eigenschappen te begrijpen. Modellen van Uranus en Neptunus gaan ervan uit dat de ongebruikelijke magnetische velden van deze planeten afkomstig kunnen zijn van vrije waterstof, die deze resultaten zouden kunnen impliceren, komt minder vaak voor dan verwacht. In de toekomst, de onderzoekers willen mengsels met zuurstof gebruiken om de chemie in de planeten beter op elkaar af te stemmen.