Mogelijk regen van diamanten in het binnenste van Uranus en Neptunus

de ijsreuzen Uranus en Neptunus
Uranus en Neptunus, de ijsreuzen in ons zonnestelsel. Credit: Wikipedia Commons

Al meer dan 30 jaar steggelen wetenschappers over de interne structuur en het ontstaan van Uranus en Neptunus. De beide planeten bevinden zich erg ver weg van ons en er zijn slechts een paar ruimtesondes geweest die een kortstondig bezoek hebben gebracht aan deze planeten. We weten dus nog steeds erg weinig over het binnenste van deze ijsreuzen. Bij gebrek aan direct bewijs vertrouwen wetenschappers op modellen en experimenten om de condities in het binnenste van deze planeten na te bootsen.

Zo hebben wetenschappers beredeneert dat door de extreem hoge druk in het binnenste van Uranus en Neptunus waterstof en koolstof samengedrukt kunnen worden waardoor er diamanten ontstaan. Een internationaal team van onderzoekers heeft nu voor het eerst deze regen van diamanten weten na te bootsen in een laboratorium waardoor we een heel klein beetje meer weten over wat er in het binnenste van deze planeten gaande zou kunnen zijn.

De studie is uitgevoerd door onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Institute of Radiation Physics, het SLAC National Accelerator Laboratory, het Lawrence Livermore National Laboratory en UC Berkeley en is onder de titel “Formation of Diamonds in Laser-Compressed Hydrocarbons at Planetary Interior Conditions” verschenen in het tijdschrift “Nature Astronomy”.

Tientallen jaren lang hebben wetenschappers aangenomen dat het binnenste van planeten zoals Uranus en Neptunus bestaat uit een massieve, vaste kern die is omgeven door hoge concentraties van allerlei soorten ijs. In dit geval is ijs dan waterstofmoleculen die zijn verbonden met lichtere elementen zoals koolstof, zuurstof en/of stikstof, waaruit dan moleculen als ammoniak en water ontstaan. Onder extreem hoge drukken worden deze componenten gedeeltelijk vast en vormen ze een soort dikke brij.

Op ongeveer 10.000 kilometer onder het oppervlak van deze planeten is de druk groot genoeg om koolwaterstoffen samen te persen tot diamanten. Om deze condities in een laboratorium na te bootsen werd een stuk polystyreen (piepschuim) blootgesteld aan twee schokgolven. Dit werd gedaan met een krachtige optische laser die gecombineerd werd met röntgen pulsen om de gevormde diamanten te kunnen detecteren.

Het polystyreen dat de onderzoekers gebruikten simuleert componenten die kunnen ontstaan uit methaan, dit is een molecuul dat bestaat uit één koolstof- en vier waterstofatomen. Methaan zorgt voor de blauwachtige kleur die de beide planeten hebben. In de binnenste lagen van deze planeten vormt het ook koolwaterstofketens die samengeperst kunnen worden tot diamanten van wel 1 miljoen karaat.

De optische laser die werd gebruikt zorgde voor twee schokgolven die heel nauwkeurig de temperatuur en de druk in de binnenste lagen van Uranus en Neptunus simuleerde. De eerste schokgolf was kleiner en langzamer en werd ingehaald door de tweede, sterkere schokgolf. Op het punt waar beide schokgolven elkaar overlapten ontstonden hele kleine diamantjes. Op die plaats werden de reacties die plaatsvonden met röntgenstraling gemonitord.

Met deze techniek, die bekend staat als röntgendiffractie, waren de onderzoekers in staat om het ontstaan van de kleine diamantjes in real-time te volgen. Dit was nodig omdat de reactie slechts een fractie van een seconde stand houdt.

Uiteindelijk bleek dat nagenoeg alle koolstofatomen van het oorspronkelijke polystyreen waren opgenomen in kleine diamantstructuren. Deze structuren waren slechts een paar nanometer in diameter maar het team voorspelt dat de diamanten op Uranus en Neptunus veel groter zullen zijn. In de loop van de tijd zouden deze diamanten door de atmosfeer van de planeten naar beneden kunnen zakken en een laag van diamanten kunnen voren rond de kern van de planeet.

In eerdere studies zijn er ook pogingen gedaan om de omstandigheden in het binnenste van Uranus en Neptunus na te bootsen maar deze waren minder succesvol. Deze studies toonden wel aan dat er grafiet en diamant gevormd zou kunnen worden maar dit kon niet daadwerkelijk worden aangetoond. Zoals al aangegeven kunnen de extreme druk en temperatuur hier op Aarde slechts kort in stand worden gehouden.

De resultaten zijn voor wetenschappers die zich bezig houden met het ontstaan en evolutie van planeten belangrijk en de onderzoekers denken dat deze, nieuwe kennis er toe kan leiden dat er nieuwe modellen over de classificatie van planeten opgesteld gaan worden.

Het experiment opent ook nieuwe mogelijkheden om materie samen te persen en nieuwe synthetische materialen te produceren. Nanodiamanten worden al in verschillende commerciële toepassingen gebruikt zoals medicijnen, elektronica en wetenschappelijke instrumenten. Deze nanodiamanten maken met behulp van lasers is veel goedkoper en veiliger dan de huidige methodes.

Om heel veel energie op te wekken maakt kernfusie onderzoek ook gebruik van extreme drukken en temperaturen. Ook dit onderzoek kan baat hebben van het laser-experiment. Daarnaast leidt het onderzoek naar nieuwe vragen hoe de kernen van zware planeten er nu precies uitzien. Ze zullen bestaan uit metalen en silicaathoudend gesteente en mogelijk dus ook een diamantenlaag op de grens tussen de kern en de mantel.

Meer informatie is te vinden op: SLAC, HZDR, Nature Astronomy

 

Eerste publicatie: 26 augustus 2017