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.
