Hallelujah, It’s Raining Diamonds! Ακριβώς όπως το εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα.
Για περισσότερες από τρεις δεκαετίες, η εσωτερική δομή και η εξέλιξη του Ουρανού και του Ποσειδώνα ήταν αντικείμενο συζήτησης μεταξύ των επιστημόνων. Δεδομένης της απόστασής τους από τη Γη και του γεγονότος ότι μόνο λίγα ρομποτικά διαστημόπλοια τα έχουν μελετήσει άμεσα, αυτό που συμβαίνει μέσα σε αυτούς τους γίγαντες πάγου εξακολουθεί να είναι κάτι σαν μυστήριο. Αντί για άμεσες αποδείξεις, οι επιστήμονες έχουν βασιστεί σε μοντέλα και πειράματα για να αναπαράγουν τις συνθήκες στο εσωτερικό τους.
Για παράδειγμα, έχει θεωρηθεί ότι στον Ουρανό και τον Ποσειδώνα, οι συνθήκες ακραίας πίεσης συμπιέζουν το υδρογόνο και τον άνθρακα σε διαμάντια, τα οποία στη συνέχεια βυθίζονται στο εσωτερικό. Χάρη σε ένα πείραμα Διεξήχθη από μια διεθνή ομάδα επιστημόνων, αυτή η «διαμαντένια βροχή» αναδημιουργήθηκε σε εργαστηριακές συνθήκες για πρώτη φορά, δίνοντάς μας την πρώτη ματιά στο πώς θα μπορούσαν να είναι τα πράγματα μέσα σε γίγαντες πάγου.
Η μελέτη που περιγράφει λεπτομερώς αυτό το πείραμα, με τίτλο ' Σχηματισμός διαμαντιών σε συμπιεσμένους με λέιζερ υδρογονάνθρακες σε πλανητικές εσωτερικές συνθήκες », εμφανίστηκε πρόσφατα στο περιοδικόΑστρονομία της Φύσης.Με επικεφαλής τον Δρ. Dominik Kraus, έναν φυσικό από το Κέντρο Helmholtz Dresden-Rossendorf Ινστιτούτο Ακτινοφυσικής , η ομάδα περιελάμβανε μέλη από το SLAC National Accelerator Laborator και το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore και UC Berkeley.
Ουρανός και Ποσειδώνας, οι παγωμένοι γίγαντες πλανήτες του Ηλιακού Συστήματος. Πίστωση: Wikipedia Commons
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες υποστήριξαν ότι το εσωτερικό πλανητών όπως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας αποτελούνται από συμπαγείς πυρήνες που περιβάλλονται από πυκνές συγκεντρώσεις «πάγους». Σε αυτήν την περίπτωση, ο πάγος αναφέρεται σε μόρια υδρογόνου που συνδέονται με ελαφρύτερα στοιχεία (δηλαδή ως άνθρακας, οξυγόνο ή/και άζωτο) για τη δημιουργία ενώσεων όπως το νερό και η αμμωνία. Υπό ακραίες συνθήκες πίεσης, αυτές οι ενώσεις γίνονται ημιστερεές, σχηματίζοντας «λάσπη».
Και σε περίπου 10.000 χιλιόμετρα (6214 μίλια) κάτω από την επιφάνεια αυτών των πλανητών, η συμπίεση των υδρογονανθράκων θεωρείται ότι δημιουργεί διαμάντια. Για να αναδημιουργήσει αυτές τις συνθήκες, η διεθνής ομάδα υπέβαλε ένα δείγμα πλαστικού πολυστυρενίου σε δύο κρουστικά κύματα χρησιμοποιώντας ένα έντονο οπτικό λέιζερ στο Ύλη σε ακραίες συνθήκες όργανο (MEC), το οποίο στη συνέχεια συνδύασαν με παλμούς ακτίνων Χ από τα SLAC Συνεκτική πηγή φωτός Linac (LCLS).
Όπως είπε ο δρ Kraus, ο επικεφαλής του α Helmholtz Young Investigator Group στο HZDR, εξηγείται σε ένα HZDR δελτίο τύπου :
«Μέχρι στιγμής, κανείς δεν μπόρεσε να παρατηρήσει απευθείας αυτές τις αφρώδεις βροχές σε ένα πειραματικό περιβάλλον. Στο πείραμά μας, εκθέσαμε ένα ειδικό είδος πλαστικού – το πολυστυρένιο, το οποίο επίσης αποτελείται από ένα μείγμα άνθρακα και υδρογόνου – σε συνθήκες παρόμοιες με εκείνες μέσα στον Ποσειδώνα ή τον Ουρανό».
Το πλαστικό σε αυτό το πείραμα προσομοίωσε ενώσεις που σχηματίζονται από μεθάνιο, ένα μόριο που αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα συνδεδεμένο με τέσσερα άτομα υδρογόνου. Είναι η παρουσία αυτής της ένωσης που δίνει τόσο στον Ουρανό όσο και στον Ποσειδώνα τον ξεχωριστό μπλε χρωματισμό τους. Στα ενδιάμεσα στρώματα αυτών των πλανητών, σχηματίζει επίσης αλυσίδες υδρογονανθράκων που συμπιέζονται σε διαμάντια που θα μπορούσαν να είναι εκατομμυρίων καρατίων σε βάρος.
Η καλύβα MEC του LCLS Far Experiement Hall της SLAC. Πίστωση: SLAC National Accelerator Laboratory
Το οπτικό λέιζερ που χρησιμοποίησε η ομάδα δημιούργησε δύο κρουστικά κύματα που προσομοίωσαν με ακρίβεια τις συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης στα ενδιάμεσα στρώματα του Ουρανού και του Ποσειδώνα. Το πρώτο σοκ ήταν μικρότερο και πιο αργό, και στη συνέχεια ξεπεράστηκε από το ισχυρότερο δεύτερο σοκ. Όταν επικαλύπτονταν, η πίεση κορυφώθηκε και άρχισαν να σχηματίζονται μικροσκοπικά διαμάντια. Σε αυτό το σημείο, η ομάδα διερεύνησε τις αντιδράσεις με παλμούς ακτίνων Χ από το LCLS.
Αυτή η τεχνική, γνωστή ως περίθλαση ακτίνων Χ, επέτρεψε στην ομάδα να δει τα μικρά διαμάντια να σχηματίζονται σε πραγματικό χρόνο, κάτι που ήταν απαραίτητο αφού μια αντίδραση αυτού του είδους μπορεί να διαρκέσει μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου. Ως Siegfried Glenzer, καθηγητής επιστήμης φωτονίων στο SLAC και συν-συγγραφέας της εργασίας, εξήγησε :
«Για αυτό το πείραμα, είχαμε το LCLS, την πιο φωτεινή πηγή ακτίνων Χ στον κόσμο. Χρειάζεστε αυτούς τους έντονους, γρήγορους παλμούς ακτίνων Χ για να δείτε ξεκάθαρα τη δομή αυτών των διαμαντιών, επειδή σχηματίζονται στο εργαστήριο μόνο για τόσο πολύ μικρό χρονικό διάστημα.»
Στο τέλος, η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι σχεδόν κάθε άτομο άνθρακα στο αρχικό πλαστικό δείγμα ενσωματώθηκε σε μικρές δομές διαμαντιών. Ενώ μέτρησαν μόλις λίγα νανόμετρα σε διάμετρο, η ομάδα προβλέπει ότι στον Ουρανό και τον Ποσειδώνα, τα διαμάντια θα ήταν πολύ μεγαλύτερα. Με την πάροδο του χρόνου, εικάζουν ότι θα μπορούσαν να βυθιστούν στην ατμόσφαιρα των πλανητών και να σχηματίσουν ένα στρώμα διαμαντιού γύρω από τον πυρήνα.
Η εσωτερική δομή του Ποσειδώνα. Πιστωτική: Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας
Σε προηγούμενες μελέτες, οι προσπάθειες να αναδημιουργηθούν οι συνθήκες στο εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα είχαν περιορισμένη επιτυχία. Ενώ έδειξαν αποτελέσματα που έδειχναν το σχηματισμό γραφίτη και διαμαντιών, οι ομάδες που τους διεξήγαγαν δεν μπορούσαν να καταγράψουν τις μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο. Όπως σημειώθηκε, οι ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις που υπάρχουν στους γίγαντες αερίου/πάγου μπορούν να προσομοιωθούν μόνο σε εργαστήριο για πολύ σύντομα χρονικά διαστήματα.
Ωστόσο, χάρη στο LCLS – το οποίο δημιουργεί παλμούς ακτίνων Χ ένα δισεκατομμύριο φορές φωτεινότερους από τα προηγούμενα όργανα και τους πυροδοτεί με ρυθμό περίπου 120 παλμών ανά δευτερόλεπτο (ο καθένας διαρκεί μόλις τετράδισεκα του δευτερολέπτου) – η επιστημονική ομάδα μπόρεσε να μετρήσει άμεσα τη χημική αντίδραση για πρώτη φορά. Τελικά, αυτά τα αποτελέσματα έχουν ιδιαίτερη σημασία για τους πλανητικούς επιστήμονες που ειδικεύονται στη μελέτη του πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται οι πλανήτες.
Όπως εξήγησε ο Kraus, θα μπορούσε να προκαλέσει την επανεξέταση της σχέσης μεταξύ της μάζας ενός πλανήτη και της ακτίνας του και να οδηγήσει σε νέα μοντέλα ταξινόμησης πλανητών:
«Με τους πλανήτες, η σχέση μεταξύ μάζας και ακτίνας μπορεί να πει στους επιστήμονες αρκετά πράγματα για τη χημεία. Και η χημεία που συμβαίνει στο εσωτερικό μπορεί να παρέχει πρόσθετες πληροφορίες για ορισμένα από τα καθοριστικά χαρακτηριστικά του πλανήτη… Δεν μπορούμε να πάμε μέσα στους πλανήτες και να τους κοιτάξουμε, έτσι αυτά τα εργαστηριακά πειράματα συμπληρώνουν τις δορυφορικές και τηλεσκοπικές παρατηρήσεις».
Αυτό το πείραμα ανοίγει επίσης νέες δυνατότητες για συμπίεση ύλης και δημιουργία συνθετικών υλικών. Τα νανοδιαμάντια έχουν επί του παρόντος πολλές εμπορικές εφαρμογές –δηλαδή ιατρική, ηλεκτρονικά, επιστημονικό εξοπλισμό κ.λπ.– και η δημιουργία τους με λέιζερ θα ήταν πολύ πιο οικονομική και ασφαλής από τις τρέχουσες μεθόδους (που περιλαμβάνουν εκρηκτικά).
Η έρευνα σύντηξης, η οποία επίσης βασίζεται στη δημιουργία ακραίων συνθηκών πίεσης και θερμοκρασίας για την παραγωγή άφθονης ενέργειας, θα μπορούσε επίσης να ωφεληθεί από αυτό το πείραμα. Επιπλέον, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης προσφέρουν μια δελεαστική υπόδειξη για το πώς μοιάζουν οι πυρήνες των μεγάλων πλανητών. Εκτός από το ότι αποτελούνται από πυριτικά πετρώματα και μέταλλα, οι γίγαντες πάγου μπορεί επίσης να έχουν ένα στρώμα διαμαντιού στο όριο πυρήνα-μανδύα τους.
Αν υποθέσουμε ότι μπορούμε να δημιουργήσουμε ανιχνευτές επαρκώς ισχυρών υπερ-υλικών κάποια μέρα, δεν θα άξιζε να το εξετάσουμε;
Περαιτέρω ανάγνωση: SLAC , HZDR , Αστρονομία της Φύσης