In un esperimento progettato per imitare le condizioni all'interno dei pianeti giganti ghiacciati del nostro sistema solare, gli scienziati sono stati in grado di osservare per la prima volta la "pioggia di diamanti" mentre si formava in condizioni di alta pressione. Una pressione estremamente alta spreme l'idrogeno e il carbonio che si trovano all'interno di questi pianeti per formare diamanti solidi che affondano lentamente verso l'interno.

La scintillante precipitazione è stata a lungo ipotizzata più di 5, 000 miglia sotto la superficie di Urano e Nettuno, creato da miscele comunemente trovate di solo idrogeno e carbonio. Gli interni di questi pianeti sono simili:entrambi contengono nuclei solidi circondati da una densa melma di diversi ghiacci. Con i pianeti ghiacciati del nostro sistema solare, "ghiaccio" si riferisce a molecole di idrogeno collegate a elementi più leggeri, come il carbonio, ossigeno e/o azoto.

I ricercatori hanno simulato l'ambiente trovato all'interno di questi pianeti creando onde d'urto in plastica con un intenso laser ottico presso lo strumento Matter in Extreme Conditions (MEC) presso il laser a elettroni liberi a raggi X del National Accelerator Laboratory, la sorgente luminosa coerente Linac (LCLS).

Nell'esperimento, sono stati in grado di vedere che quasi ogni atomo di carbonio della plastica originale era incorporato in piccole strutture diamantate larghe fino a pochi nanometri. Su Urano e Nettuno, gli autori dello studio prevedono che i diamanti diventerebbero molto più grandi, forse milioni di carati di peso. I ricercatori pensano anche che sia possibile che nel corso di migliaia di anni, i diamanti affondano lentamente attraverso gli strati di ghiaccio dei pianeti e si assemblano in uno spesso strato attorno al nucleo.

La ricerca è stata pubblicata su Astronomia della natura il 21 agosto.

"In precedenza, i ricercatori potevano solo supporre che i diamanti si fossero formati, " ha detto Dominik Kraus, scienziato presso Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf e autore principale della pubblicazione. "Quando ho visto i risultati di questo ultimo esperimento, è stato uno dei momenti migliori della mia carriera scientifica."

Esperimenti precedenti che tentavano di ricreare la pioggia di diamanti in condizioni simili non erano in grado di acquisire misurazioni in tempo reale, dovuto al fatto che attualmente possiamo creare queste condizioni estreme in cui minuscoli diamanti si formano solo per brevissimo tempo in laboratorio. I laser ottici ad alta energia di MEC combinati con gli impulsi a raggi X di LCLS, che durano solo femtosecondi, o quadrilionesimi di secondo, ha permesso agli scienziati di misurare direttamente la reazione chimica.

Altri esperimenti precedenti hanno visto anche accenni di carbonio che forma grafite o diamante a pressioni inferiori rispetto a quelle create in questo esperimento, ma con altri materiali introdotti e alterando le reazioni.

I risultati presentati in questo esperimento sono la prima osservazione inequivocabile della formazione di diamanti ad alta pressione da miscele e concordano con le previsioni teoriche sulle condizioni in cui tali precipitazioni possono formarsi e forniranno agli scienziati informazioni migliori per descrivere e classificare altri mondi.

Trasformare la plastica in diamante

Nell'esperimento, la plastica simula i composti formati dal metano, una molecola con un solo carbonio legato a quattro atomi di idrogeno che provoca la distinta sfumatura blu di Nettuno.

Il team ha studiato un materiale plastico, polistirolo, che è costituito da una miscela di idrogeno e carbonio, componenti chiave della composizione chimica complessiva di questi pianeti.

Negli strati intermedi dei pianeti giganti ghiacciati, il metano forma catene di idrocarburi (idrogeno e carbonio) che si è a lungo ipotizzato per rispondere all'alta pressione e temperatura negli strati più profondi e formare la precipitazione scintillante.

I ricercatori hanno utilizzato un laser ottico ad alta potenza per creare coppie di onde d'urto nella plastica con la corretta combinazione di temperatura e pressione. Il primo shock è più piccolo e più lento e superato dal secondo shock più forte. Quando le onde d'urto si sovrappongono, questo è il momento in cui la pressione raggiunge il picco e quando la maggior parte dei diamanti si forma, disse Kraus.

Durante quei momenti, il team ha sondato la reazione con impulsi di raggi X da LCLS che durano solo 50 femtosecondi. Ciò ha permesso loro di vedere i piccoli diamanti che si formano in frazioni di secondo con una tecnica chiamata diffrazione dei raggi X a femtosecondi. Le istantanee a raggi X forniscono informazioni sulla dimensione dei diamanti e sui dettagli della reazione chimica nel momento in cui si verifica.

"Per questo esperimento, abbiamo avuto LCLS, la sorgente di raggi X più brillante al mondo, " disse Siegfried Glenzer, professore di scienza dei fotoni allo SLAC e coautore dell'articolo. "Hai bisogno di questi intensi, impulsi veloci di raggi X per vedere inequivocabilmente la struttura di questi diamanti, perché si formano in laboratorio solo per un tempo così breve."

Nanodiamanti al lavoro

Quando gli astronomi osservano esopianeti al di fuori del nostro sistema solare, sono in grado di misurare due tratti primari:la massa, che si misura dal vacillare delle stelle, e raggio, osservato dall'ombra quando il pianeta passa davanti a una stella. La relazione tra i due viene utilizzata per classificare un pianeta e aiutare a determinare se può essere composto da elementi più pesanti o più leggeri.

"Con i pianeti, la relazione tra massa e raggio può dire agli scienziati molto sulla chimica, "Ha detto Kraus. "E la chimica che avviene all'interno può fornire ulteriori informazioni su alcune delle caratteristiche distintive del pianeta".

Le informazioni provenienti da studi come questo su come gli elementi si mescolano e si aggregano sotto pressione all'interno di un dato pianeta possono cambiare il modo in cui gli scienziati calcolano la relazione tra massa e raggio, consentendo agli scienziati di modellare e classificare meglio i singoli pianeti. Anche la "pioggia di diamanti" che cade potrebbe essere un'ulteriore fonte di energia, generando calore mentre sprofonda verso il nucleo.

"Non possiamo entrare nei pianeti e guardarli, quindi questi esperimenti di laboratorio completano le osservazioni satellitari e telescopi, " ha detto Kraus.

I ricercatori hanno anche in programma di applicare gli stessi metodi per esaminare altri processi che si verificano all'interno dei pianeti.

Oltre alle intuizioni che danno sulla scienza planetaria, i nanodiamanti prodotti sulla Terra potrebbero essere potenzialmente raccolti per scopi commerciali - usi che abbracciano la medicina, apparecchiature scientifiche ed elettroniche. Attualmente, i nanodiamanti sono prodotti commercialmente da esplosivi; la produzione laser può offrire un metodo più pulito e più facilmente controllabile.

La ricerca che comprime la materia, come questo studio, aiuta anche gli scienziati a comprendere e migliorare gli esperimenti di fusione in cui forme di idrogeno si combinano per formare elio per generare grandi quantità di energia. Questo è il processo che alimenta il sole e le altre stelle, ma deve ancora essere realizzato in modo controllato per le centrali elettriche sulla Terra.

In alcuni esperimenti di fusione, un combustibile di due diverse forme di idrogeno è circondato da uno strato di plastica che raggiunge condizioni simili all'interno dei pianeti durante una fase di compressione di breve durata. L'esperimento LCLS sulla plastica suggerisce ora che la chimica possa svolgere un ruolo importante in questa fase.

"Le simulazioni non catturano realmente ciò che stiamo osservando in questo campo, "Glenzer ha detto. "Il nostro studio e altri forniscono la prova che l'aggregazione di materia in questi tipi di condizioni di alta pressione è una forza da non sottovalutare".