Ein kürzlich durchgeführtes Laborexperiment, bei dem die gleichen Bedingungen wie auf den beiden Planeten reproduziert wurden, zeigte, dass es auf Neptun und Uranus tatsächlich Diamantschauer gibt.
Die vergessenen Planeten
Neptun und Uranus, die am weitesten entfernten Planeten in unserem Sonnensystem, wurden oft vernachlässigt. Aber eine neue Studie von Wissenschaftlern hat diesen vergessenen blauen Riesen eine glamouröse Wendung gegeben: Projektionen von Diamanten unter ihrer Planetenoberfläche. Forscher führten ein Laborexperiment durch, das nahelegt, dass in den tiefen Atmosphären von Uranus und Neptun wahrscheinlich ein bemerkenswerter chemischer Prozess abläuft. Die neue Studie wurde im Mai 2020 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Anhand von Daten, die von diesen Planeten gesammelt wurden, wissen die Wissenschaftler, dass sowohl Neptun als auch Uranus in Tausenden von Kilometern unter ihrer Oberfläche extreme Umweltbedingungen aufweisen, wo sie trotz ihrer eisigen Atmosphären (etwa -220°C) Hitzegrade von mehreren tausend Grad und hohe Druckwerte erreichen, die ihnen den Spitznamen Eisriesen eingebracht haben.
Eine zu prüfende Hypothese
Ein Team von internationalen Wissenschaftlern, darunter auch Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, führte ein Experiment durch, um die Bedingungen im Inneren der Planeten genau nachzuahmen und festzustellen, was im Inneren der Planeten vor sich geht.
Angesichts des extrem hohen Drucks im Inneren der beiden Planeten war die Arbeitshypothese der Gruppe, dass der Druck hoch genug war, um die Kohlenwasserstoffverbindungen im Inneren der Planeten in ihre kleineren Formen aufzuspalten, die dann den Kohlenstoff zu Diamanten härten würden.
Reproduzieren des Diamant-Regens
Also beschlossen sie, die Diamantenregentheorie mit einer nie zuvor verwendeten experimentellen Technik zu testen. Zuvor hatten die Forscher mit dem Röntgenlaser der Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC die Entstehung von « heißer dichter Materie » genau gemessen, einer Mischung aus hohem Druck und hoher Temperatur, von der die Wissenschaftler glauben, dass sie im Herzen von Eisriesen wie Neptun und Uranus lag.
Zusätzlich nutzten die Forscher eine Technik namens « Röntgenbeugung », die « eine Reihe von Schnappschüssen davon macht, wie Proben auf lasergenerierte Schockwellen reagieren, die die extremen Bedingungen auf anderen Planeten nachahmen. Diese Methode funktionierte sehr gut mit kristallinen Proben, war aber nicht geeignet für die Untersuchung von Nicht-Kristallen, die eher zufällige Strukturen aufweisen.
Kohlenstoff-Kristallisation
In dieser neuen Studie verwendeten die Forscher jedoch eine andere Technik namens « Thomson-Röntgenstreuung », die es den Wissenschaftlern ermöglichte, die Beugungsergebnisse genau zu reproduzieren und gleichzeitig zu beobachten, wie sich die Elemente in den nicht-kristallinen Proben vermischten.
Mit dieser Streutechnik konnten die Forscher die exakten Beugungen eines Kohlenwasserstoffs reproduzieren, der sich im Inneren von Neptun und Uranus in Kohlenstoff und Wasserstoff aufspaltete. Das Ergebnis war die Kristallisation von Kohlenstoff unter extremem Umgebungsdruck und Hitze. Dies würde wahrscheinlich zu einem Diamantenschauer führen, der fast 10.000 km unter der Erde liegt und langsam in Richtung des Planetenkerns sinkt.
Neue Formen der Fusionsenergie?
Diese Forschung liefert Daten zu einem Phänomen, das sehr schwer mit dem Computer zu modellieren ist: die « Mischbarkeit » zweier Elemente, oder die Art und Weise, wie sie sich verbinden, wenn sie gemischt werden », sagte LCLS-Projektleiter Mike Dunne. « Hier sehen sie, wie sich zwei Elemente trennen, so wie sich Mayonnaise wieder in Öl und Essig trennt. Das erfolgreiche Laborexperiment mit der neuen Technik wird auch für die Untersuchung der Umgebung anderer Planeten nützlich sein.
« Mit dieser Technik können wir interessante Prozesse messen, die sonst nur schwer nachzustellen sind », sagt Dominik Kraus, Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, der die neue Studie leitete. « Wir werden zum Beispiel sehen können, wie sich Wasserstoff und Helium, Elemente, die im Inneren von Gasriesen wie Jupiter und Saturn vorkommen, unter diesen extremen Bedingungen mischen und trennen. Er fügte hinzu: « Dies ist ein neuer Weg, um die Evolutionsgeschichte von Planeten und Planetensystemen zu studieren und Experimente in Richtung möglicher zukünftiger Formen der Fusionsenergie zu unterstützen ».