Nya rön om Isjätteplaneter och diamantregn

 

Bild wikipedia Neptunus sedd från Voyager 2. En av två isjätteplaneter i vårt solsystem den andra är Uranus.

"Vi kunde ta små diamantprover och chockkomprimera dem till temperaturer varmare än solens yta och till tryck högre än i centrum av Neptunus och Uranus och ändå mäta atomstruktur, temperatur, densitet och optisk reflektivitet," beskriver studieförfattaren och LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) forskaren Marius Millot i en ny studie (se nedan).

På LLNL har man studerat diamanters extrema beteende i årtionden. Labbforskaren Jon Eggert och kollegor var banbrytande inom högtryckssmältningsexperiment för cirka 20 år sedan och laborerade då öcer om diamanters densitet ökade vid smältning under mycket hög temperatur.

"Även om detta är ganska ovanligt bland de flesta material vi alla känner vi till ett sådant beteende," beskriver LLNL-forskaren Marius Millot. "Flytande vatten det är tätare än is, vilket får isbitar att flyta. Jons upptäckt innebär att diamant skulle kunna flyta i flytande kol vid högt tryck."

Även om det arbetet var en milstolpe inom området ledde det till fler frågor. En särskild förbryllade forskarsamhället. Frågan om det fanns ungefär 20 % skillnad mellan de observerade och förutsagda smälttemperaturerna för diamanter.

"Oavsett vad teoretikerna gjorde även med de mest avancerade datorsimuleringsteknikerna kunde man inte återupprepa experimenten," beskriver Millot.

Vid Sandia National Laboratories avslöjade användningen av dess Z-maskins extrema magnetfält   genom att chockkomprimera små diamantprover ytterligare ett mysterium. Sandia-forskarna upptäckte att  något fick diamanter att ta ett extra steg på vägen mot smältning genom att omvandlas från diamant till en annan kristallin struktur innan den slutligen blev en vätska. Datasimuleringar visade att det troligt var riktigt men ingen kunde direkt mäta atomstrukturen för att bekräfta det.

För att frågorna genomförde LLNL-teamet laserdrivna dynamiska kompressionsexperiment vid University of Rochesters laboratorium för laserenergiteknik (LLE). Med hjälp av Omega Laser Facility förångade forskarna det yttre lagret av en diamant vilket skickade en pressande chockvåg genom  diamantens inre.

Att göra detaljerade, entydiga och precisa mätningar under kompression var och är en komplicerad process. De höga kompressionerna varade bara i en miljarddels sekund. Teamet tvingades därmed att samla in all avgörande information, inklusive röntgendiffraktionsdata som belyser atomstrukturen, under ovan korta tidsram.

"Detta var första gången som chockkomprimerad diamant undersöktes med röntgendiffraktion ända fram till smältning," beskriver Millot. "Dessa mätningar är extremt svåra eftersom kol är en liten och lätt atom. Den sprider väldigt få röntgenstrålar så signalen vi behövde mäta var ganska svag."

LLE-teamet spelade en avgörande roll i att utveckla och underhålla de förbättrade diagnostiska verktygen. Det  ledde till en ny mätning av smälttemperatur som nästan helt stämde överens med datasimuleringarna och därmed stängde resultatet från 20 år tidigare (se ovan).

"Även om det var frustrerande att upptäcka att våra ursprungliga temperaturmätningar var mer än 1 000 grader fel är det spännande att se en så dramatisk förbättring av datakvaliteten med vår nya diagnostik," beskriver Eggert.

I kontrast till den nya överenskomna smälttemperaturen visade arbetet en annan historia än fasövergången som indikerats vid Sandia. Kolet låg kvar i en diamantstruktur hela vägen tills det smälte och hoppade över alla mellanliggande faser.

"Vi tror att det beror på att provet inte hinner förändras när det bara får en enda stöt. Den är fortfarande kvar i diamantstrukturen," beskriver Millot.

Den skillnaden kan vara avgörande för framtida experiment och simuleringar med hög energitäthet. Det antyder att materialets respons beror på exakt hur stöten appliceras och inte bara på tryck och temperatur.

Den nyfunna överensstämmelsen mellan teori och experiment har direkta konsekvenser för forskning inom fusionsenergi (omvända energin till den som används i kärnkraftverk)

I experiment med tröghetsinneslutning genererar kraftfulla lasrar chockvågor som driver en liten diamantkapsel inåt. Den resulterande implosionen komprimerar fusionsbränslet inuti kapseln till de extrema tryck och temperaturer som krävs för fusion.

Att smälta diamanten till en enhetlig slät vätska under den initiala stöten är avgörande för att minimera implosionsbrister, vilket kan orsaka att en fusionsreaktion försvinner. För att säkerställa att den första stöten smälter diamantkapseln använde forskarna vid National Ignition Facility (NIF) vid LLNL vanligtvis en relativt stark första stöt.

"Vårt arbete visar att vi kan använda något långsammare initiala stötar och ändå uppnå full smältning av diamanten i våra NIF-implosioner," beskriver Millot. "Det här är spännande eftersom en långsammare stöt skulle göra fusionsbränslet mer komprimerbart. Det ökar i sin tur det maximala energiutbytet vi kan uppnå med samma laserenergi."

Prognoser tyder på att dessa långsammare stötar kan tredubbla energiökningen förutsatt att andra nedbrytningsmekanismer kan kontrolleras.

Resultaten ger också planetforskare ett nytt fotfäste. Insidan av isjättar som Neptunus och Uranus är i princip otillgänglig så forskarna förlitar sig på laboratorieexperiment och datamodeller för att gissa vad som händer under ytan. Vissa studier antyder att isjättar kan kristallisera kol djupt inne i sitt inre, där det skulle falla och bilda "diamantregn." Eftersom experimenten undersökte diamanters beteende vid tryck som överstiger det inne i isjättar ger senaste smältdata en stark grund för mer realistiska förutsägelser om planetbildning och utveckling.

Studien är  publicerad i  Nature Physics och kan läsas där

Här dokumenterar forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hur diamant smälter under tryck tre gånger högre än förhållandena i jordens kärna.

Det löser två långvariga skillnader inom området och matchar slutligen experimentella resultat med simuleringar baserade på kvantmekanik. Att tillämpa resultaten på tröghetsinneslutningsfusion kan tredubbla energivinsten och den nya förståelsen av diamants högtrycksfaser kan omforma modeller av planetariska inre.

Övriga LLNL-författare som deltog i studien inkluderar Federica Coppari, Amy Lazicki, Yong-Jae Kim, Otto Landen, Vladimir Smalyuk och Peter Celliers. LLNL:s target fabrication specialist Renee Posadas och Eric Folsom vid HED Science Center Technology Facility bidrog också till arbetet. Studien stöddes av LLNL:s program för laboratoriestyrd forskning och utveckling.

Möjligen driver diamantregn Neptunus och Uranus magnetfält

 

Diamanter kan bildas i det nedre av atmosfären i planeter som Neptunus och Uranus och färdas nedåt och resultera isjättarnas magnetfält, enligt ny forskning från ett internationellt team av forskare inklusive Carnegies Alexander Goncharov och Eric Edmund. SLAC National Accelerator Laboratory-teamets resultatet kom till genom att de använde den europeiska XFEL-anläggningen för att försöka lösa långvariga meningsskiljaktigheter om temperatur- och tryckförhållandena under vilka diamanter bildas av kortlivade kolväten som de som förväntas finnas i dessa isiga kroppars atmosfär.

Även om vi inte direkt kan undersöka fysiken och kemin som förekommer i planeters inre, kan sofistikerade laboratorietekniker visa hur planetariska byggstenar beter sig och omorganiserar sig under de extrema förhållanden som finns inuti dessa planeter", beskriver Edmund.

Laboratorieteknik och teoretisk datamodellering har gett forskare en ungefärlig uppfattning om den process genom vilken diamanter bildas från kortlivade kolvätemolekyler i isiga planeters inre. Olika laboratorietekniker har dock gett varierande resultat vilket gör det svårt att fastställa på vilket djup i atmosfären detta fenomen uppstår.

Denna långvariga oenighet visas mellan experiment där man komprimerar kolväten för att få dem till extrema tryckförhållanden och experiment som skapar dessa förhållanden genom att träffa prover med höghastighetsprojektiler som efterliknar ett meteoritnedslag.

Forskarteamet, som leddes av SLAC:s Mungo Frost, använde en röntgenlaser vid XFEL-anläggningen i Tyskland för att träffa ett komprimerat prov av polystyren med ultrakorta röntgenblixtar, vilket gav en slags "guldlocksmetod" som löser upp spänningen mellan de två tidigare metoderna. Världens största röntgenlaser på FuXFEL genererar ultrakorta blixtar 27000 gånger per sekund.

"Genom detta internationella samarbete har vi gjort stora framsteg vid European XFEL och fått anmärkningsvärda nya insikter om isiga planeter", beskriver Frost i ett uttalande.

De fann att diamantbildning observeras under tryck som sträcker sig från 188 000 till 266 000 atmosfärer (eller 19 till 27 gigapascal) och över 2200 Celcius.

Det innebär att diamanter bildas på grundare djup än man tidigare trott på isjätteplaneter. Eftersom det är tätare än det omgivande materialet sjunker det djupare – ett fenomen som ibland kallas "diamantregn" – vilket ger en extra värmekälla, vilket kan driva en konvektion i islagret och bidra till dessa planeters komplexa magnetfält. Dessutom innebär denna process med relativt ytlig diamantbildning från kolväten och att detta kan inträffa även på mindre isiga kroppar, ex mini-Neptunus", beskriver Goncharov.

 Studien är publicerad i Nature Astronomy.

Bild https://www.spacedaily.com/ med texten översatt På isjätteplaneter bildas diamanter på grundare djup än man tidigare trott. Eftersom det är tätare än det omgivande materialet sjunker det djupare – ett fenomen som ibland kallas "diamantregn" – vilket ger en extra värmekälla, vilket kan driva konvektion i islagret och bidra till dessa planeters komplexa magnetfält.

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.