Een recent laboratoriumexperiment dat dezelfde condities reproduceert als op de twee planeten toonde aan dat er wel degelijk diamantdouches bestaan op Neptunus en Uranus.
De vergeten planeten
Neptunus en Uranus, de verste planeten in ons zonnestelsel, zijn vaak verwaarloosd. Maar een nieuwe studie van wetenschappers heeft een glamoureuze draai gegeven aan deze vergeten blauwe reuzen: projecties van diamanten onder hun planetaire oppervlak. Onderzoekers voerden een laboratoriumexperiment uit dat suggereert dat er waarschijnlijk een opmerkelijk chemisch proces plaatsvindt in de diepe sferen van Uranus en Neptunus. De nieuwe studie is in mei 2020 gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Op basis van gegevens van deze planeten weten wetenschappers dat zowel Neptunus als Uranus extreme milieuomstandigheden hebben, duizenden kilometers onder hun oppervlak, waar ze hitte niveaus van enkele duizenden graden en hoge druk niveaus kunnen bereiken, ondanks hun ijzige atmosfeer (rond -220°C) die hen de bijnaam van ijsgiganten hebben opgeleverd.
Een hypothese die moet worden getest
Een team van internationale wetenschappers, waaronder onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse Ministerie van Energie, heeft een experiment uitgevoerd om de omstandigheden binnen de planeten nauwkeurig na te bootsen en vast te stellen wat er binnen de planeten gebeurt.
Gezien de extreem hoge druk binnen de twee planeten was de werkhypothese van de groep dat de druk hoog genoeg was om de koolwaterstofverbindingen binnen de planeten te scheiden in hun kleinere vormen, waardoor de koolstof zou verharden tot diamanten.
Het reproduceren van de diamantregen
Dus besloten ze de diamantregentheorie te testen met een nooit eerder gebruikte experimentele techniek. Voorheen hadden de onderzoekers gebruik gemaakt van SLAC’s Linac Coherent Light Source (LCLS) Röntgenstralen laser om een nauwkeurige meting te verkrijgen van de creatie van « hete dichte materie », een hoge druk, hoge temperatuur mengsel dat volgens wetenschappers het hart vormde van ijsgiganten als Neptunus en Uranus.
Daarnaast gebruikten de onderzoekers ook een techniek die « röntgendiffractie » wordt genoemd en die « een reeks momentopnames maakt van hoe monsters reageren op lasergegenereerde schokgolven die de extreme omstandigheden nabootsen die op andere planeten worden aangetroffen. Deze methode werkte zeer goed met kristallen monsters, maar was niet geschikt voor het onderzoeken van niet-kristallen die meer willekeurige structuren hebben.
Koolstofkristallisatie
In deze nieuwe studie gebruikten de onderzoekers echter een andere techniek, « Thomson X-ray scattering » genaamd, waardoor de wetenschappers de diffractieresultaten nauwkeurig konden reproduceren terwijl ze observeerden hoe de elementen in de niet-kristallijne monsters zich vermengden.
Met behulp van deze verstrooiingstechniek waren de onderzoekers in staat om de exacte diffracties van een koolwaterstof te reproduceren die zich scheidde in koolstof en waterstof zoals binnenin Neptunus en Uranus. Het resultaat was de kristallisatie van koolstof onder extreme milieudruk en hitte. Dit zou waarschijnlijk resulteren in een diamantdouche van bijna 10.000 km onder de grond, die langzaam naar de kernen van de planeten zou zinken.
Nieuwe vormen van fusie-energie?
Dit onderzoek levert gegevens op over een fenomeen dat zeer moeilijk te modelleren is met de computer: de « mengbaarheid » van twee elementen, of de manier waarop ze combineren wanneer ze gemengd zijn, » zei LCLS-projectdirecteur Mike Dunne. « Hier zien ze hoe twee elementen zich scheiden, zoals mayonaise die weer scheidt in olie en azijn. Het succesvolle laboratoriumexperiment met de nieuwe techniek zal ook nuttig zijn voor het onderzoeken van de omgeving van andere planeten.
« Met deze techniek kunnen we interessante processen meten die anders moeilijk te reconstrueren zijn », zei Dominik Kraus, een wetenschapper van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, een Duits onderzoeksinstituut, die de nieuwe studie leidde. « We zullen bijvoorbeeld kunnen zien hoe waterstof en helium, elementen die zich in gasreuzen als Jupiter en Saturnus bevinden, zich onder deze extreme omstandigheden mengen en scheiden. Hij voegde eraan toe: « Dit is een nieuwe manier om de evolutionaire geschiedenis van planeten en planetaire systemen te bestuderen en om experimenten naar potentiële toekomstige vormen van fusie-energie te ondersteunen ».