Již více než tři desetiletí je vnitřní struktura a vývoj Uranu a Neptunu předmětem debat mezi vědci. Vzhledem k jejich vzdálenosti od Země a skutečnosti, že je přímo studovalo pouze několik robotických kosmických lodí, je to, co se děje uvnitř těchto ledových obrů, stále něčím záhadným. Místo přímých důkazů se vědci spoléhali na modely a experimenty, aby napodobili podmínky v jejich interiérech.
Například se objevila teorie, že v Uranu a Neptunu extrémní tlakové podmínky vymačkávají vodík a uhlík do diamantů, které pak klesají do nitra. Díky an experiment Tento „diamantový déšť“ provedený mezinárodním týmem vědců byl poprvé znovu vytvořen v laboratorních podmínkách, což nám poskytlo první pohled na to, jaké věci by mohly vypadat uvnitř ledových obrů.
Studie, která podrobně popisuje tento experiment, s názvem „ Tvorba diamantů v laserem stlačených uhlovodících za vnitřních podmínek planet “, nedávno se objevil v časopiseAstronomie přírody.Pod vedením Dr. Dominika Krause, fyzika z hl Helmholtzovo centrum Drážďany-Rossendorf Institut fyziky záření , v týmu byli členové z Národní urychlovací laboratoř SLAC a, Lawrence Livermore National Laboratory a UC Berkeley.
Uran a Neptun, ledové obří planety Sluneční soustavy. Kredit: Wikipedia Commons
Po desetiletí vědci zastávali názor, že vnitřky planet jako Uran a Neptun se skládají z pevných jader obklopených hustou koncentrací „ledu“. V tomto případě se ledem rozumí molekuly vodíku spojené s lehčími prvky (např. uhlík, kyslík a/nebo dusík) za účelem vytvoření sloučenin, jako je voda a čpavek. Za extrémních tlakových podmínek se tyto sloučeniny stávají polotuhými a vytvářejí „břečku“.
A ve zhruba 10 000 kilometrech (6214 mi) pod povrchem těchto planet se předpokládá, že stlačením uhlovodíků vzniknou diamanty. Aby se tyto podmínky znovu vytvořily, vystavil mezinárodní tým vzorek polystyrenového plastu dvěma rázovým vlnám pomocí intenzivního optického laseru. Záležitost v extrémních podmínkách (MEC), který pak spárovali s rentgenovými pulzy ze SLAC Linac koherentní světelný zdroj (LCLS).
Jak říká Dr. Kraus, přednosta a Skupina mladých vyšetřovatelů Helmholtz v HZDR, vysvětleno v HZDR tisková zpráva :
„Zatím nikdo nemohl přímo pozorovat tyto šumivé sprchy v experimentálním prostředí. V našem experimentu jsme vystavili speciální druh plastu – polystyren, který se také skládá ze směsi uhlíku a vodíku – podmínkám podobným těm uvnitř Neptunu nebo Uranu.“
Plast v tomto experimentu simuloval sloučeniny vytvořené z metanu, molekuly, která se skládá z jednoho atomu uhlíku vázaného na čtyři atomy vodíku. Právě přítomnost této sloučeniny dává Uranu i Neptunu jejich výrazné modré zbarvení. V mezivrstvách těchto planet také tvoří uhlovodíkové řetězce, které jsou stlačeny do diamantů, které mohou mít hmotnost milionů karátů.
MEC králíkárna SLAC's LCLS Far Experiement Hall. Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory
Optický laser, který tým použil, vytvořil dvě rázové vlny, které přesně simulovaly teplotní a tlakové podmínky v mezivrstvách Uranu a Neptunu. První otřes byl menší a pomalejší a pak byl překonán silnějším druhým otřesem. Když se překryly, tlak vyvrcholil a začaly se tvořit drobné diamanty. V tomto okamžiku tým zkoumal reakce pomocí rentgenových pulzů z LCLS.
Tato technika, známá jako rentgenová difrakce, umožnila týmu vidět, jak se malé diamanty tvoří v reálném čase, což bylo nutné, protože reakce tohoto druhu může trvat jen zlomky sekundy. Siegfried Glenzer, profesor fotonové vědy na SLAC a spoluautor článku, vysvětlil :
'Pro tento experiment jsme měli LCLS, nejjasnější zdroj rentgenového záření na světě.' Potřebujete tyto intenzivní, rychlé pulsy rentgenového záření, abyste jednoznačně viděli strukturu těchto diamantů, protože se v laboratoři tvoří jen po tak velmi krátkou dobu.“
Nakonec výzkumný tým zjistil, že téměř každý atom uhlíku v původním plastovém vzorku byl začleněn do malých diamantových struktur. Zatímco měřili jen několik nanometrů v průměru, tým předpovídá, že na Uranu a Neptunu by diamanty byly mnohem větší. V průběhu času spekulují, že by se mohly ponořit do atmosféry planet a vytvořit vrstvu diamantu kolem jádra.
Vnitřní struktura Neptunu. Kredit: Moskevský institut fyziky a technologie
V předchozích studiích se pokusy o obnovení podmínek v nitru Uranu a Neptunu setkaly s omezeným úspěchem. I když ukázaly výsledky, které naznačovaly vznik grafitu a diamantů, týmy, které je prováděly, nedokázaly zachytit měření v reálném čase. Jak bylo uvedeno, extrémní teploty a tlaky, které existují v plynných/ledových obrech, lze v laboratoři simulovat pouze po velmi krátkou dobu.
Nicméně díky LCLS – který vytváří rentgenové pulzy miliardkrát jasnější než předchozí přístroje a vysílá je rychlostí asi 120 pulzů za sekundu (každý trvá jen kvadriliontiny sekundy) – byl vědecký tým schopen přímo měřit chemická reakce poprvé. Nakonec jsou tyto výsledky zvláště důležité pro planetární vědce, kteří se specializují na studium toho, jak se planety formují a vyvíjejí.
Jak vysvětlil Kraus, mohlo by to způsobit přehodnocení vztahu mezi hmotností planety a jejím poloměrem a vést k novým modelům klasifikace planet:
'U planet může vztah mezi hmotností a poloměrem vědcům prozradit docela dost o chemii.' A chemie, která se odehrává v nitru, může poskytnout další informace o některých definujících rysech planety... Nemůžeme jít dovnitř planet a podívat se na ně, takže tyto laboratorní experimenty doplňují satelitní a dalekohledová pozorování.“
Tento experiment také otevírá nové možnosti pro kompresi hmoty a tvorbu syntetických materiálů. Nanodiamanty mají v současnosti mnoho komerčních aplikací – např. lékařství, elektronika, vědecké vybavení atd. – a jejich vytváření pomocí laserů by bylo mnohem levnější a bezpečnější než současné metody (které zahrnují výbušniny).
Výzkum fúze, který se také spoléhá na vytváření extrémních tlakových a teplotních podmínek pro vytváření hojné energie, by mohl také těžit z tohoto experimentu. Kromě toho výsledky této studie nabízejí vzrušující náznak toho, jak vypadají jádra masivních planet. Kromě toho, že se ledoví obři skládají ze silikátových hornin a kovů, mohou mít na hranici jádra a pláště také diamantovou vrstvu.
Za předpokladu, že jednou dokážeme vytvořit sondy dostatečně silných super-materiálů, nestálo by za to se tím zabývat?
Další čtení: SLAC , HZDR , Astronomie přírody