Deszcz diamentów na Uranie i Neptunie

2

Najnowsze badania wykazują, że na Uranie i Neptunie mogą formować się złoża diamentów.

Przez ponad trzy dekady, wewnętrzna struktura Urana i Neptuna oraz jej ewolucja była przedmiotem debaty pomiędzy naukowcami. Z uwagi na odległość od Ziemi i fakt, że tylko jedna misja kosmiczna (Voyager 2) badała je bezpośrednio, to co dzieje się wewnątrz lodowych gigantów jest ciągle zagadką. Tak więc naukowcy skupili się na modelach i eksperymentach by odtworzyć warunki panujące w ich wnętrzu.

Uważa się, że wewnątrz Urana i Neptuna, ekstremalne ciśnienie ściska wodór i węgiel i w ten sposób powstają diamenty, które następnie zatapiają się do wnętrza planety. Dzięki eksperymentowi przeprowadzonemu przez międzynarodowy zespół naukowców pod przewodnictwem Dominika Krausa z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) udało się odtworzyć “deszcz diamentów” w warunkach laboratoryjnych, Eksperyment daje nam pierwszy wgląd w to, jak może wyglądać wnętrze lodowych gigantów.

Uran z sondy Voyager 2 / Credits - NASA/JPL-Caltech

Uran z sondy Voyager 2 / Credits – NASA/JPL-Caltech

Przez dekady naukowcy twierdzili, że wnętrza planet takich jak Uran i Neptun składają się ze stałych jąder otoczonych dużą ilością lodu. W tym przypadku lód to cząsteczki wodoru połączonych z lżejszymi elementami takimi jak węgiel, tlen i/lub azot, czyli związki takie jak woda i amoniak. Pod ekstremalnym ciśnieniem, te związki stają się półstałe, tworząc tzw. “breję”.

Na około 10000 kilometrów pod powierzchnią obu planet kompresja węglowodorów jest wystarczająca do wytworzenia diamentów. By odtworzyć te warunki międzynarodowy zespół poddał próbkę polistyrenu dwóm falom uderzeniowym używając do tego intensywnego lasera optycznego w urządzeniu Matter in Extreme Conditions (MEC), gdzie mogli połączyć je z impulsami promieniowania rentgenowskiego ze SLAC Linac Coherent Light Source (LCLS).

Dr Kraus, przewodniczący Helmholtz Young Investigator w HZDR, tłumaczy: “Jak dotąd, nikt nie był w stanie zaobserwować tego zjawiska w warunkach eksperymentalnych. W naszym badaniu, wystawiliśmy specjalny rodzaj plastiku, polistyren, który zawiera zarówno mieszankę węgla jak i wodoru, na działanie warunków podobnych do tych na Neptunie lub Uranie.”

Plastik w tym eksperymencie symuluje związki powstałe z metanu i molekuły, które składają się z jednego atomu węgla otoczonego przez cztery atomy wodoru. To właśnie obecność tego związku nadaję Uranowi i Neptunowi niebieskie zabarwienie. Tworzą one również łańcuchy węglowodorów które w warstwach pośrednich tych planet są kompresowane w diamenty o wadze mogącej wynosić miliony karatów.

Zespół użył laseru optycznego by stworzyć dwie fale uderzeniowe które dokładnie odwzorowują temperaturę i ciśnienie występujące w pośrednich warstwach Urana i Neptuna. Pierwsza fala była mniejsza i wolniejsza, a po niej nastąpiła druga silniejsza. Kiedy nachodziły na siebie, a ciśnienie miało najwyższą wartość to zaczęły się formować małe diamenty. W tym punkcie zespół badał reakcje wykorzystując promieniowanie rentgenowskie z LCLS.

Ta technika znana jako dyfrakcja promieni rentgenowskich, pozwoliła zespołowi zauważyć kształtowanie się małych diamentów w czasie rzeczywistym, co było niezbędne przez to, że reakcje tego rodzaju mogą trwać tylko ułamki sekund.

Siegfried Glenzer, profesor fotoniki w SLAC i współautor badania tłumaczy: “W tym eksperymencie posiadaliśmy LCLS, czyli najjaśniejsze źródło promieni rentgenowskich na świecie. Intensywne, szybkie impulsy promieniowania rentgenowskiego są potrzebne, aby jednoznacznie zobaczyć strukturę tych diamentów, ponieważ są one tylko formowane w laboratorium przez bardzo krótki czas.”

Po zakończeniu badania zespół zauważył, że niemal każdy atom węgla z oryginalnego plastiku został włączony w małe struktury diamentów. Podczas gdy miały one zaledwie kilka nanometrów średnicy, to zespół uważa, że na Uranie i Neptunie będą one znacznie większe. Uważa się również, że z biegiem czasu mogą one wpaść w atmosferę tych planet i uformować warstwę diamentów wokół jądra.

Poprzednie próby odtworzenia warunków na Uranie i Neptunie zakończy się tylko umiarkowanym sukcesem. Ich wyniki wskazywały na formowanie się grafitu i diamentów, jednak zespołowi który je przeprowadzał nie udało się uchwycić pomiarów w czasie rzeczywistym. Jak zauważono, ekstremalne temperatury i ciśnienie które występują w gazowych lub lodowych gigantach mogą być symulowane w laboratorium przez bardzo krótki okres czasu.

Jednak dzięki LCLS który wytwarza impulsy rentgenowskie miliard razy jaśniejsze niż wcześniejsze instrumenty i uruchamia je w tempie około 120 Hz to dzięki temu zespół był po raz pierwszy w stanie dokładnie zmierzyć reakcję chemiczną. W rezultacie te wyniki mają szczególne znaczenie dla badaczy planet, którzy specjalizują się w badaniach nad kształtowaniem i rozwijaniem się planet.

Jak wyjaśnia Kraus, może to być powodem do ponownego przemyślenia zależności pomiędzy masą planet a ich promieniem i doprowadzić do nowej metody klasyfikacji planet

“Stosunek pomiędzy masą planety a jej promieniem może nam dużo powiedzieć o reakcjach chemicznych, które zachodzą w jej wnętrzu. Może również zapewnić dodatkowe informacje na temat niektórych aspektów planety. Nie możemy wejść do wnętrza planet i go zbadać więc te eksperymenty laboratoryjne uzupełniają obserwacje satelitarne i teleskopowe”.

Ten eksperyment otwiera również nowe możliwości kompresji materiałów i wytwarzania materiałów syntetycznych. Nanodiamenty obecnie mają wiele komercyjnych zastosowań np. w medycynie, elektronice, sprzęcie naukowym, a wytwarzanie ich za pomocą laserów byłoby znacznie bardziej opłacalne i bezpieczniejsze, niż obecne metody.

Badania nad syntezą jądrową, które również opierają się na tworzeniu skrajnych warunków ciśnienia i temperatury w celu uzyskania dużej ilości energii, mogłyby również skorzystać z tego eksperymentu. Poza tym wyniki tego badania oferują urozmaiconą wskazówkę, jak wyglądają rdzenie masywnych planet. Oprócz składu skał silikatowych i metali, lodowe olbrzymy mogą posiadać warstwę diamentów na granicy rdzenia z płaszczem

(Universe Today, Space Daily)

Share.

2 komentarze