Wewnętrzna struktura zewnętrznych planet Układu Słonecznego wciąż pozostaje tajemnicą dla astronomów. W przypadku Jowisza, sonda kosmiczna Juno NASA pomaga rozwiązać tę zagadkę. W naziemnym laboratorium naukowcy odkryli wskazówki, które pozwalają zajrzeć w głąb lodowych olbrzymów Neptuna i Urana. Okazało się, że mogą tam być diamentowe deszcze.
Międzynarodowy zespół naukowców był w stanie wykazać, że związki węglowodorów rozpadają się wewnątrz gigantycznych planet lodowych - Neptuna i Urana. To zmienia węgiel w „diamentowy deszcz”.
Naukowcom z Helmholtz Center w Dresden-Rossendorf (HZDR), we współpracy z ich niemieckimi i amerykańskimi kolegami, udało się wykazać, że w lodowych olbrzymach naszego Układu Słonecznego tworzą się „diamentowe deszcze”. Przy pomocy laserów rentgenowskich o bardzo dużej mocy i innych urządzeń w Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC) w Kalifornii, przeprowadzili symulację wewnętrznej struktury kosmicznych gigantów. Dzięki temu naukowcy mogli po raz pierwszy w czasie rzeczywistym obserwować rozkład węglowodorów i przemianę węgla w diament.
Solidny rdzeń, owinięty gęstymi warstwami „lodu” - tak wygląda wewnętrzna struktura planet Neptuna i Urana. Taki lód kosmiczny składa się głównie z węglowodorów, wody i amoniaku. Astrofizycy od bardzo dawna są skłonni sądzić, że ekstremalnie wysokie ciśnienie, które panuje tutaj na głębokości około 10 tysięcy kilometrów, prowadzi do rozkładu węglowodorów. W tym przypadku powstają diamenty, które zanurzają się głębiej w głąb planet.
„Do tej pory nikt nie był w stanie zaobserwować tak wspaniałych opadów w bezpośrednim eksperymencie” - mówi dr Dominik Kraus z HZDR. Ale właśnie na tym jemu i międzynarodowej grupie badaczy pod jego kierownictwem udało się. „W trakcie naszych badań umieściliśmy specjalną formę tworzywa sztucznego - polistyren na bazie mieszanki węgla i wodoru - w warunkach podobnych do tych, które występują wewnątrz Neptuna i Urana”.
Aby osiągnąć pożądany efekt, wysłali dwie fale uderzeniowe przez próbki, wzbudzone przez niezwykle silne lasery optyczne w połączeniu ze źródłem promieniowania rentgenowskiego SLAC zwanym liniowym koherentnym źródłem światła (LCLS). W rezultacie tworzywo zostało ściśnięte pod ciśnieniem około 150 gigapaskali w temperaturze około 5000 stopni Celsjusza. „Pierwsza, słabsza i wolniejsza fala została pokonana przez silniejszą drugą falę”, wyjaśnia Kraus. „I właśnie w tym momencie, gdy obie fale przecinają się, powstaje większość diamentów”.
Ponieważ trwa to tylko ułamek sekundy, naukowcy zastosowali defrakcję promieni rentgenowskich z dużą prędkością, która dostarczyła im migawki tworzenia diamentów i procesów chemicznych. „Eksperymenty pokazują, że prawie wszystkie atomy węgla łączą się w nanorozmiarowe struktury diamentowe” - podsumowuje drezdeński naukowiec. Na podstawie wyników autorzy badania sugerują, że diamenty na Neptunie i Uranie tworzą znacznie większe struktury i powoli osiadają w rdzeniu planety przez tysiące i miliony lat.
„Na podstawie danych eksperymentalnych, które otrzymaliśmy, możemy również zebrać informacje, które pozwolą nam lepiej zrozumieć strukturę egzoplanet” - mówi Kraus o perspektywach. W przypadku takich kosmicznych olbrzymów poza Układem Słonecznym naukowcy mogą zmierzyć tylko dwa parametry: masę, która jest określana na podstawie oscylacji pozycyjnych ich gwiazdy macierzystej, oraz promień, który astronomowie uzyskują w wyniku ściemnienia, które występuje, gdy planeta przechodzi przed dyskiem gwiazdowym. Zależność między tymi dwiema wartościami pozwala uzyskać wstępne dane dotyczące budowy chemicznej, na przykład tego, czy planeta składa się z lekkich, czy ciężkich pierwiastków.
Film promocyjny:
„A procesy chemiczne zachodzące na planetach pokazują nam aspekty, które pozwalają nam wyciągać wnioski na temat podstawowych właściwości tych ciał niebieskich” - kontynuuje Kraus. „Dzięki temu możemy udoskonalać i ulepszać modele planetarne już istniejące w nauce. Badania pokazują, że modelowania nie można jeszcze uważać za szczególnie dokładną metodę”.
Ale wraz z wiedzą astrofizyczną eksperymenty mogą mieć również wartość praktyczną. I tak np. Nanodiamenty powstałe w trakcie eksperymentów można wykorzystać na instrumenty elektroniczne oraz w technologii medycznej, a także do cięcia materiałów w produkcji przemysłowej. Jak dotąd sztuczne diamenty są wytwarzane za pomocą eksplozji. Ale dzięki zastosowaniu technologii laserowej taka produkcja będzie czystsza i bardziej kontrolowana.
O wynikach badań naukowcy napisali w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Astronomy.