I mer än tre decennier har den interna strukturen och utvecklingen av Uranus och Neptunus varit föremål för debatt bland forskare. Med tanke på deras avstånd från jorden och det faktum att endast ett fåtal robotfarkoster har studerat dem direkt, är vad som händer inuti dessa isjättar fortfarande något av ett mysterium. I stället för direkta bevis har forskare förlitat sig på modeller och experiment för att replikera förhållandena i deras interiörer.
Till exempel har det föreslagits att inom Uranus och Neptunus pressar extrema tryckförhållanden väte och kol till diamanter, som sedan sjunker ner i det inre. Tack vare en experimentera utfört av ett internationellt team av forskare, återskapades detta 'diamantregn' under laboratorieförhållanden för första gången, vilket gav oss en första inblick i hur saker och ting kan se ut inuti isjättar.
Studien som beskriver detta experiment, med titeln ' Bildning av diamanter i laserkomprimerade kolväten vid planetariska inre förhållanden ', dök nyligen upp i tidskriftenNatur astronomi.Leds av Dr Dominik Kraus, en fysiker från Helmholtz Center Dresden-Rossendorf Institutet för strålningsfysik , laget inkluderade medlemmar från SLAC National Accelerator Laborator och den Lawrence Livermore National Laboratory och UC Berkeley.
Uranus och Neptunus, solsystemets isgigantiska planeter. Kredit: Wikipedia Commons
I decennier har forskare ansett att planeter som Uranus och Neptunus interiörer består av fasta kärnor omgivna av en tät koncentration av 'isar'. I det här fallet syftar is på vätemolekyler som är kopplade till lättare grundämnen (dvs som kol, syre och/eller kväve) för att skapa föreningar som vatten och ammoniak. Under extrema tryckförhållanden blir dessa föreningar halvfasta och bildar 'slask'.
Och på ungefär 10 000 kilometer (6214 mi) under ytan av dessa planeter, tros komprimeringen av kolväten skapa diamanter. För att återskapa dessa förhållanden utsatte det internationella teamet ett prov av polystyrenplast för två stötvågor med en intensiv optisk laser vid Materia under extrema förhållanden (MEC) instrument, som de sedan parade ihop med röntgenpulser från SLAC:erna Linac koherent ljuskälla (LCLS).
Som Dr Kraus, chef för en Helmholtz Young Investigator Group vid HZDR, förklarat i en HZDR pressmeddelande :
'Än så länge har ingen direkt kunnat observera dessa gnistrande skurar i en experimentell miljö. I vårt experiment exponerade vi en speciell typ av plast – polystyren, som också består av en blandning av kol och väte – för förhållanden som liknar dem inuti Neptunus eller Uranus.”
Plasten i detta experiment simulerade föreningar bildade av metan, en molekyl som består av en kolatom bunden till fyra väteatomer. Det är närvaron av denna förening som ger både Uranus och Neptunus sin distinkta blå färg. I de mellanliggande lagren av dessa planeter bildar den också kolvätekedjor som komprimeras till diamanter som kan väga miljontals karat.
MEC-hytten i SLAC:s LCLS Far Experiment Hall. Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory
Den optiska lasern som teamet använde skapade två stötvågor som exakt simulerade temperatur- och tryckförhållandena vid de mellanliggande lagren av Uranus och Neptunus. Den första stöten var mindre och långsammare och blev sedan omkörd av den starkare andra stöten. När de överlappade, toppade trycket och små diamanter började bildas. Vid denna tidpunkt undersökte teamet reaktionerna med röntgenpulser från LCLS.
Denna teknik, känd som röntgendiffraktion, gjorde det möjligt för teamet att se de små diamanterna bildas i realtid, vilket var nödvändigt eftersom en reaktion av detta slag bara kan pågå i bråkdelar av en sekund. Som Siegfried Glenzer, professor i fotonvetenskap vid SLAC och medförfattare till artikeln, förklarade :
'För detta experiment hade vi LCLS, den ljusaste röntgenkällan i världen. Du behöver dessa intensiva, snabba pulser av röntgenstrålar för att entydigt se strukturen hos dessa diamanter, eftersom de bara bildas i laboratoriet under så mycket kort tid.'
Till slut fann forskargruppen att nästan varje kolatom i det ursprungliga plastprovet inkorporerades i små diamantstrukturer. Medan de mätte bara några nanometer i diameter, förutspår teamet att på Uranus och Neptunus skulle diamanterna vara mycket större. Med tiden spekulerar de att dessa kan sjunka in i planeternas atmosfärer och bilda ett lager av diamant runt kärnan.
Neptunus inre struktur. Kredit: Moscow Institute of Physics and Technology
I tidigare studier har försök att återskapa förhållandena i Uranus och Neptunus inre haft begränsad framgång. Även om de visade resultat som indikerade bildandet av grafit och diamanter, kunde teamen som utförde dem inte fånga mätningarna i realtid. Som nämnts kan de extrema temperaturer och tryck som finns inom gas/isjättar endast simuleras i ett laboratorium under mycket korta tidsperioder.
Men tack vare LCLS – som skapar röntgenpulser en miljard gånger ljusare än tidigare instrument och avfyrar dem med en hastighet av cirka 120 pulser per sekund (var och en varar bara kvadrilliondelar av en sekund) – kunde forskarteamet direkt mäta den kemiska reaktionen för första gången. I slutändan är dessa resultat av särskild betydelse för planetforskare som specialiserar sig på studier av hur planeter bildas och utvecklas.
Som Kraus förklarade, kan det leda till att ompröva förhållandet mellan en planets massa och dess radie, och leda till nya modeller för planetklassificering:
'Med planeter kan förhållandet mellan massa och radie berätta en hel del för forskare om kemin. Och kemin som händer i det inre kan ge ytterligare information om några av planetens definierande egenskaper... Vi kan inte gå in i planeterna och titta på dem, så dessa laboratorieexperiment kompletterar satellit- och teleskopobservationer.'
Detta experiment öppnar också nya möjligheter för materiekomprimering och skapandet av syntetiska material. Nanodiamanter har för närvarande många kommersiella tillämpningar – det vill säga medicin, elektronik, vetenskaplig utrustning, etc, – och att skapa dem med lasrar skulle vara mycket mer kostnadseffektivt och säkrare än nuvarande metoder (som involverar sprängämnen).
Fusionsforskning, som också bygger på att skapa extrema tryck- och temperaturförhållanden för att generera riklig energi, skulle också kunna dra nytta av detta experiment. Utöver det ger resultaten av denna studie en lockande hint om hur kärnorna hos massiva planeter ser ut. Förutom att vara sammansatt av silikatberg och metaller, kan isjättar också ha ett diamantlager vid sin kärna-mantelgräns.
Om vi antar att vi en dag kan skapa sonder av tillräckligt starka supermaterial, skulle det inte vara värt att titta närmare på?
Vidare läsning: SLAC , HZDR , Natur astronomi