Die innere Struktur der äußeren Planeten des Sonnensystems ist den Astronomen immer noch ein Rätsel. Im Fall von Jupiter hilft die Juno-Raumsonde der NASA, dieses Rätsel zu lösen. Und im terrestrischen Labor haben Forscher Hinweise gefunden, mit denen Sie tief in die Eisriesen Neptun und Uranus schauen können. Und es stellte sich heraus, dass es dort Diamantregen geben kann.
Ein internationales Forscherteam konnte zeigen, dass sich Kohlenwasserstoffverbindungen in den riesigen Eisplaneten Neptun und Uranus aufspalten. Dies verwandelt den Kohlenstoff in einen "Diamantregen".
Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums in Dresden-Rossendorf (HZDR) konnten in Zusammenarbeit mit ihren deutschen und amerikanischen Kollegen zeigen, dass sich in den Eisriesen unseres Sonnensystems "Diamantregen" bilden. Mit Hilfe von Ultrahochleistungs-Röntgenlasern und anderen Einrichtungen des Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC) in Kalifornien wurden Simulationen der internen Struktur von Weltraumriesen durchgeführt. Dank dessen konnten Wissenschaftler erstmals in Echtzeit die Zersetzung von Kohlenwasserstoffen und die Umwandlung von Kohlenstoff in Diamant beobachten.
Ein fester Kern, eingewickelt in dichte Schichten von "Eis" - so sieht die innere Struktur der Planeten Neptun und Uranus aus. Ein solches Weltraumeis besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen, Wasser und Ammoniak. Und Astrophysiker neigen seit langem dazu zu glauben, dass der extrem hohe Druck, der hier in Tiefen von etwa 10 000 Kilometern herrscht, zur Zersetzung von Kohlenwasserstoffen führt. In diesem Fall bilden sich Diamanten, die weiter in die Tiefe der Planeten eintauchen.
„Bisher konnte niemand in einem direkten Experiment einen derart brillanten Niederschlag beobachten“, sagt Dr. Dominik Kraus vom HZDR. Dies gelang ihm und der von ihm geleiteten internationalen Forschergruppe. "Im Verlauf unserer Forschung haben wir eine spezielle Form von Kunststoff - Polystyrol, das auf einer Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff basiert, unter ähnlichen Bedingungen wie in Neptun und Uranus platziert."
Um den gewünschten Effekt zu erzielen, sendeten sie zwei Stoßwellen durch die Proben, die von extrem leistungsstarken optischen Lasern in Kombination mit einer SLAC-Röntgenquelle namens Linear Coherent Light Source (LCLS) angeregt wurden. Infolgedessen wurde der Kunststoff unter einem Druck von etwa 150 Gigapascal bei einer Temperatur von etwa 5.000 Grad Celsius komprimiert. „Die erste, schwächere und langsamere Welle wurde von der stärkeren zweiten Welle überholt“, erklärt Kraus. "Und genau in dem Moment, in dem sich beide Wellen schneiden, bilden sich die meisten Diamanten."
Da dies nur einen Bruchteil einer Sekunde dauert, verwendeten die Forscher eine Hochgeschwindigkeits-Röntgenablenkung, die ihnen eine Momentaufnahme der Diamantbildung und chemischer Prozesse lieferte. "Experimente zeigen, dass sich fast alle Kohlenstoffatome zu nanometergroßen Diamantstrukturen verbinden", fasst der Dresdner Wissenschaftler zusammen. Basierend auf den Ergebnissen schlagen die Autoren der Studie vor, dass Diamanten auf Neptun und Uranus signifikant größere Strukturen bilden und sich über Tausende und Millionen von Jahren langsam im Kern des Planeten niederlassen.
„Aus den experimentellen Daten, die wir erhalten haben, können wir auch Informationen gewinnen, die es uns ermöglichen, die Struktur von Exoplaneten besser zu verstehen“, sagt Kraus über die Aussichten. Für solche Weltraumriesen außerhalb des Sonnensystems können Forscher nur zwei Parameter messen: die Masse, die aus den Positionsschwingungen ihres Muttersterns bestimmt wird, und den Radius, den Astronomen aus der Verdunkelung ableiten, die auftritt, wenn der Planet vor der Sternscheibe durchläuft. Die Beziehung zwischen den beiden Werten ermöglicht es Ihnen, die anfänglichen Daten über die chemische Struktur zu erhalten, beispielsweise ob der Planet aus leichten oder schweren Elementen besteht.
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„Und die chemischen Prozesse in den Planeten zeigen uns Aspekte, die es uns ermöglichen, Rückschlüsse auf die grundlegenden Eigenschaften dieser Himmelskörper zu ziehen“, fährt Kraus fort. „Dank dessen können wir die bereits in der Wissenschaft existierenden Planetenmodelle verbessern und verbessern. Studien zeigen, dass die Modellierung noch keine besonders genaue Methode ist."
Neben astrophysikalischem Wissen können Experimente aber auch praktischen Wert haben. Beispielsweise können bei Experimenten gebildete Nanodiamanten für elektronische Instrumente und in der Medizintechnik sowie zum Schneiden von Materialien in der industriellen Produktion verwendet werden. Bisher werden künstliche Diamanten durch Explosionen hergestellt. Durch die Verwendung der Lasertechnologie wird diese Produktion jedoch sauberer und kontrollierter.
Die Wissenschaftler schrieben über die Ergebnisse der Forschung in einem Artikel, der in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde.
