De interne structuur van de buitenste planeten van het zonnestelsel is nog steeds een mysterie voor astronomen. In het geval van Jupiter helpt NASA's Juno-ruimtesonde dit mysterie op te lossen. En in het terrestrische laboratorium hebben onderzoekers aanwijzingen gevonden waarmee je diep in de ijsreuzen Neptunus en Uranus kunt kijken. En het bleek dat er diamantregens kunnen zijn.
Een internationaal team van onderzoekers kon aantonen dat koolwaterstofverbindingen zich splitsen in de gigantische ijsplaneten - Neptunus en Uranus. Dit verandert de koolstof in een "diamantregen".
Wetenschappers van het Helmholtz Centrum in Dresden-Rossendorf (HZDR) konden in samenwerking met hun Duitse en Amerikaanse collega's aantonen dat er "diamantregens" ontstaan in de ijsreuzen van ons zonnestelsel. Met behulp van ultra-high-power röntgenlasers en andere faciliteiten van het Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC) in Californië werden de interne structuren van ruimtereuzen gesimuleerd. Hierdoor konden wetenschappers voor het eerst in realtime de afbraak van koolwaterstoffen en de omzetting van koolstof in diamant observeren.
Een stevige kern, gewikkeld in dichte lagen "ijs" - zo ziet de interne structuur van de planeten Neptunus en Uranus eruit. Dergelijk ruimte-ijs bestaat voornamelijk uit koolwaterstoffen, water en ammoniak. En astrofysici zijn al heel lang geneigd te denken dat de extreem hoge druk, die hier heerst op een diepte van ongeveer 10 duizend kilometer, leidt tot de afbraak van koolwaterstoffen. In dit geval worden diamanten gevormd die verder in de diepten van de planeten duiken.
"Tot nu toe heeft niemand zo'n schitterende neerslag kunnen waarnemen in een direct experiment", zegt Dr. Dominik Kraus van HZDR. Maar het was hierin dat hij en de internationale groep onderzoekers onder leiding van hem slaagden. "In de loop van ons onderzoek hebben we een speciale vorm van plastic geplaatst - polystyreen, dat is gebaseerd op een mengsel van koolstof en waterstof, in omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die in Neptunus en Uranus."
Om het gewenste effect te bereiken, stuurden ze twee schokgolven door de monsters, opgewekt door extreem krachtige optische lasers in combinatie met een SLAC-röntgenbron genaamd Linear Coherent Light Source (LCLS). Als resultaat werd het plastic samengeperst onder een druk van ongeveer 150 Gigapascal bij een temperatuur van ongeveer 5.000 graden Celsius. "De eerste, zwakkere en langzamere golf werd ingehaald door de krachtigere tweede golf", legt Kraus uit. "En precies op het moment dat beide golven elkaar kruisen, worden de meeste diamanten gevormd."
Omdat dit maar een fractie van een seconde duurt, gebruikten de onderzoekers röntgendefractie met hoge snelheid, waardoor ze een momentopname kregen van diamantvorming en chemische processen. "Experimenten tonen aan dat bijna alle koolstofatomen worden gecombineerd om diamantstructuren op nanometergrootte te vormen", vat de wetenschapper uit Dresden samen. Op basis van de resultaten suggereren de auteurs van de studie dat diamanten op Neptunus en Uranus aanzienlijk grotere structuren vormen en zich langzaam vestigen in de kern van de planeet gedurende duizenden en miljoenen jaren.
"Uit de experimentele gegevens die we hebben ontvangen, kunnen we ook informatie verzamelen die ons in staat zal stellen de structuur van exoplaneten beter te begrijpen", zegt Kraus over de prospects. Voor dergelijke ruimtereuzen buiten het zonnestelsel kunnen onderzoekers slechts twee parameters meten: de massa, die wordt bepaald uit de positionele oscillaties van hun moederster, en de straal, die astronomen afleiden uit het dimmen dat optreedt wanneer de planeet voor de stellaire schijf passeert. Door de relatie tussen de twee waarden kun je de eerste gegevens over de chemische structuur krijgen, bijvoorbeeld of de planeet uit lichte of zware elementen bestaat.
Promotie video:
"En de chemische processen in de planeten vertellen ons aspecten die ons in staat stellen conclusies te trekken over de basiseigenschappen van deze hemellichamen", vervolgt Kraus. “Dankzij dit kunnen we de planetaire modellen die al in de wetenschap bestaan, verbeteren en verbeteren. Studies tonen aan dat modellering nog geen bijzonder nauwkeurige methode is."
Maar naast astrofysische kennis kunnen experimenten ook praktische waarde hebben. Zo kunnen nanodiamanten die tijdens experimenten worden gevormd, bijvoorbeeld worden gebruikt voor elektronische instrumenten en in de medische technologie, maar ook voor het snijden van materialen bij industriële productie. Tot nu toe worden kunstmatige diamanten gemaakt met explosies. Maar door ze te gebruiken met lasertechnologie, wordt een dergelijke productie schoner en meer gecontroleerd.
De wetenschappers schreven over de resultaten van het onderzoek in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy.