Diamantregn kan vara vanligt på istäckta exoplaneterI

 

I en ny studie visas att "diamantregn", en exotisk typ av nederbörd kan vara vanligt  på   istäckta planeter.

I ett tidigare experiment skapade forskarna de extrema temperaturer och tryck som finns djupt inne i isjättarna Neptunus och Uranus och observerade för första gången hur diamantregn då kunde bildas.

Genom att undersöka denna process i ett material som  liknar Neptunus och Uranus kemiska sammansättning upptäckte forskare från Institutionen för energi SLAC National Accelerator Laboratory och deras kollegor att närvaron av syre då gör diamantbildning  sannolik vilket får dem att bildas och växa vid i  bredare spektrum av förhållanden och på fler planeter.

Studien kan leda till kunskap om ett nytt sätt att tillverka nanodiamonder, som har ett mycket brett spektrum av applikationer inom läkemedelsleverans i kroppen, medicinska sensorer, icke-invasiv kirurgi, och kvantelektronik.

"Det tidiga experimenten var de första som vi direkt såg diamantbildning utifrån några blandningar", säger Siegfried Glenzer, chef för High Energy Density Division på SLAC. – Sedan dess har det varit ganska många experiment med olika rena material. Men inuti planeter är allt mycket mer komplicerat; det finns mycket fler kemikalier i blandningen där. Det vi ville ta reda på här var vilken typ av effekt dessa ytterligare kemikalier har.

Teamet under ledning av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och Universitetet i Rostock i Tyskland, samt Frankrikes École Polytechnique i samarbete med SLAC, publicerade nyligen sina resultat i Science Advances.

I  tidigare experimentet studerade forskarna ett plastmaterial tillverkat av en blandning av väte och kol vilket är några nyckelkomponenter i den kemiska sammansättningen av Neptunus och Uranus. Men förutom kol och väte innehåller många isjättar även andra element exempelvis stora mängder syre.

I det nya experimentet använde forskarna PET-plast - som ofta används i livsmedelsförpackningar, plastflaskor och behållare - för att reproducera sammansättningen av dessa planeter mer exakt. Något överraskande material anser jag.

"PET har en bra balans mellan kol, väte och syre för att simulera aktiviteten i isplaneter", säger Dominik Kraus, fysiker vid HZDR och professor vid University of Rostock.

Forskarna använde en kraftfull optisk laser kallad Matter in Extreme Conditions (MEC) vid SLAC: s Linac Coherent Light Source (LCLS) för att skapa chockvågor i PET- plasten. Därefter undersökte de vad som då skedde i plasten med röntgenpulser från LCLS. Med hjälp av en metod som kallas röntgendiffraktion såg de hur atomerna i materialet omorganiserades till små diamantregioner.

Samtidigt användes en annan metod som kallas liten vinkelspridning som inte hade använts i den första undersökningen för att mäta hur snabbt och mycket dessa diamantregioner växte. Med hjälp av denna  metod kunde de då se att diamantregionerna växte upp till några nanometer i bredd. De fann att nanodiamanter med närvaro av syre i materialet, kunde växa vid lägre tryck och temperatur än vad som tidigare observerats.

"Effekten av syret blev att påskynda splittringen av kol och väte och därmed öka bildandet av nanodiamanter", sa Kraus. "Det innebar att kolatomerna lättare kunde kombineras och bilda diamanter."

Forskarna förutspår att diamanter på Neptunus och Uranus skulle bli mycket större än de nanodiamanter som producerades i dessa experiment - kanske miljontals karat i vikt (vilket ger 1000 tals kilo tunga diamanter, 1 karat är o,2 gram). Under tusentals år kan diamanterna långsamt sjunka genom planeternas islager och samlas i ett tjockt lager här och där runt den fasta planetkärnan.

Teamet fann även bevis för att det i kombination med diamanterna också kan bildas superjoniskt vatten. Denna nyligen upptäckta vattenfas som ofta beskrivs som "varm, svart is", existerar vid extremt höga temperaturer och tryckförhållanden. Under dessa extrema förhållanden bryts vattenmolekyler isär och syreatomer bildar ett kristallgitter där vätekärnor flyter fritt runt. Eftersom dessa fritt flytande kärnor är elektriskt laddade kan superjoniskt vatten leda elektrisk ström och det kan förklara de mystiska magnetfälten på Uranus och Neptunus.

Forskare tror att isjättar är den vanligaste formen av planeter utanför vårt solsystem.

"Vi vet att jordens kärna huvudsakligen är gjord av järn, men många experiment undersöker fortfarande hur närvaron av lättare element kan förändra förhållandena för smältning och fasövergångar", säger SLAC-forskaren och samarbetspartnern Silvia Pandolfi. – Vårt experiment visar hur dessa element kan förändra de förhållanden under vilka diamanter bildas på isjättar.  Om vi vill modellera planeter exakt måste vi komma så nära den faktiska sammansättningen av planets inre som möjligt.

Forskningen indikerar också en potentiell väg framåt för att producera nanodiamanter genom laserdriven chockkomprimering av billig PET-plast. Även om nanodiamanter redan ingår i slipmedel och polermedel, kan dessa små pärlor i framtiden potentiellt användas till kvantsensorer, medicinska kontrastmedel och reaktionsacceleratorer för förnybar energi.

"Det sätt som nanodiamanter för närvarande tillverkas är genom att ta en massa av kol eller diamant och spränga det med sprängämnen", säger SLAC-forskaren och samarbetspartnern Benjamin Ofori-Okai. – Det här skapar nanodiamanter i olika storlekar och former och är en process som är svår att kontrollera.

 Det vi ser i det här experimentet är en annan reaktivitet som sker under hög temperatur och högt  tryck. I vissa fall verkar diamanterna bildas snabbare än i andra fall beroende av närvaron av slaget av  kemikalier i isjättarna. Laserproduktion skulle kunna erbjuda en renare och mer lättkontrollerad metod att producera nanodiamanter. Om vi kan utforma sätt att ändra vissa saker i processen kan vi förändra hur snabbt de bildas och hur stora de blir.

Nu planerar forskarna liknande experiment med flytande prover som innehåller etanol, vatten och ammoniak – det som Uranus och Neptunus  mest består av – vilket kommer att föra ännu närmare för att förstå exakt hur diamantregn bildas på planeter.

Forskningen stöddes av DOE: s Office of Science och National Nuclear Security Administration. LCLS är en DOE Office of Science användaranläggning.

Bild https://se.depositphotos.com/  på hur det kanske ser ut där regn av diamanter sker.