En un experimento diseñado para imitar las condiciones en lo profundo de los planetas gigantes helados de nuestro sistema solar, los científicos pudieron observar "lluvia de diamantes" por primera vez cuando se formaba en condiciones de alta presión. Una presión extremadamente alta comprime el hidrógeno y el carbono que se encuentran en el interior de estos planetas para formar diamantes sólidos que se hunden lentamente hacia el interior.

Durante mucho tiempo, se ha planteado la hipótesis de que la precipitación brillante surgirá más de 5, 000 millas por debajo de la superficie de Urano y Neptuno, creado a partir de mezclas comúnmente encontradas de solo hidrógeno y carbono. Los interiores de estos planetas son similares:ambos contienen núcleos sólidos rodeados por una densa capa de hielo diferente. Con los planetas helados de nuestro sistema solar, "hielo" se refiere a moléculas de hidrógeno conectadas a elementos más ligeros, como el carbono, oxígeno y / o nitrógeno.

Los investigadores simularon el entorno que se encuentra dentro de estos planetas mediante la creación de ondas de choque en plástico con un láser óptico intenso en el instrumento Materia en Condiciones Extremas (MEC) en el láser de rayos X de electrones libres de rayos X del Laboratorio Nacional Acelerador Nacional SLAC. la fuente de luz coherente Linac (LCLS).

En el experimento, pudieron ver que casi cada átomo de carbono del plástico original estaba incorporado en pequeñas estructuras de diamante de hasta unos pocos nanómetros de ancho. En Urano y Neptuno, los autores del estudio predicen que los diamantes serían mucho más grandes, tal vez millones de quilates de peso. Los investigadores también creen que es posible que durante miles de años, los diamantes se hunden lentamente a través de las capas de hielo de los planetas y se ensamblan en una capa gruesa alrededor del núcleo.

La investigación fue publicada en Astronomía de la naturaleza el 21 de agosto.

"Previamente, los investigadores solo podían suponer que los diamantes se habían formado, "dijo Dominik Kraus, científico de Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf y autor principal de la publicación. "Cuando vi los resultados de este último experimento, fue uno de los mejores momentos de mi carrera científica ".

Experimentos anteriores que intentaron recrear la lluvia de diamantes en condiciones similares no pudieron capturar mediciones en tiempo real, debido al hecho de que actualmente podemos crear estas condiciones extremas bajo las cuales se forman pequeños diamantes solo por un tiempo muy breve en el laboratorio. Los láseres ópticos de alta energía en MEC combinados con los pulsos de rayos X de LCLS, que duran solo femtosegundos, o cuadrillonésimas de segundo, permitieron a los científicos medir directamente la reacción química.

Otros experimentos anteriores también vieron indicios de carbono formando grafito o diamante a presiones más bajas que las creadas en este experimento. pero con otros materiales introducidos y alterando las reacciones.

Los resultados presentados en este experimento son la primera observación inequívoca de la formación de diamantes a alta presión a partir de mezclas y coinciden con las predicciones teóricas sobre las condiciones en las que se puede formar dicha precipitación y proporcionarán a los científicos mejor información para describir y clasificar otros mundos.

Convirtiendo plástico en diamante

En el experimento, el plástico simula compuestos formados a partir de metano, una molécula con un solo carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno que produce el característico tono azul de Neptuno.

El equipo estudió un material plástico, poliestireno, que está hecho de una mezcla de hidrógeno y carbono, componentes clave de la composición química general de estos planetas.

En las capas intermedias de planetas gigantes helados, El metano forma cadenas de hidrocarburos (hidrógeno y carbono) que durante mucho tiempo se planteó la hipótesis de que respondían a la alta presión y temperatura en capas más profundas y formaban la precipitación brillante.

Los investigadores utilizaron un láser óptico de alta potencia para crear pares de ondas de choque en el plástico con la combinación correcta de temperatura y presión. El primer choque es más pequeño y más lento y es superado por el segundo choque más fuerte. Cuando las ondas de choque se superponen, ese es el momento en que la presión alcanza su punto máximo y cuando se forman la mayoría de los diamantes, Kraus dijo.

Durante esos momentos, el equipo probó la reacción con pulsos de rayos X de LCLS que duran solo 50 femtosegundos. Esto les permitió ver los pequeños diamantes que se forman en fracciones de segundo con una técnica llamada difracción de rayos X de femtosegundos. Las instantáneas de rayos X proporcionan información sobre el tamaño de los diamantes y los detalles de la reacción química a medida que ocurre.

"Para este experimento, teníamos LCLS, la fuente de rayos X más brillante del mundo, "dijo Siegfried Glenzer, profesor de ciencia de fotones en SLAC y coautor del artículo. "Necesitas estos intensos, pulsos rápidos de rayos X para ver sin ambigüedades la estructura de estos diamantes, porque solo se forman en el laboratorio durante un período de tiempo tan corto ".

Nanodiamantes en acción

Cuando los astrónomos observan exoplanetas fuera de nuestro sistema solar, son capaces de medir dos rasgos principales:la masa, que se mide por el bamboleo de las estrellas, y radio, observado desde la sombra cuando el planeta pasa frente a una estrella. La relación entre los dos se utiliza para clasificar un planeta y ayudar a determinar si puede estar compuesto por elementos más pesados ​​o más ligeros.

"Con planetas, la relación entre masa y radio puede decirles a los científicos bastante sobre la química, ", Dijo Kraus." Y la química que ocurre en el interior puede proporcionar información adicional sobre algunas de las características definitorias del planeta ".

La información de estudios como este sobre cómo los elementos se mezclan y se agrupan bajo presión en el interior de un planeta determinado puede cambiar la forma en que los científicos calculan la relación entre masa y radio. permitiendo a los científicos modelar y clasificar mejor los planetas individuales. La "lluvia de diamantes" que cae también podría ser una fuente adicional de energía, generando calor mientras se hunde hacia el núcleo.

"No podemos entrar en los planetas y mirarlos, por lo que estos experimentos de laboratorio complementan las observaciones de satélites y telescopios, "Dijo Kraus.

Los investigadores también planean aplicar los mismos métodos para observar otros procesos que ocurren en el interior de los planetas.

Además de los conocimientos que aportan sobre la ciencia planetaria, Los nanodiamantes fabricados en la Tierra podrían potencialmente recolectarse con fines comerciales:usos que abarcan la medicina, equipos científicos y electrónicos. En la actualidad, los nanodiamantes se producen comercialmente a partir de explosivos; La producción láser puede ofrecer un método más limpio y más fácil de controlar.

Investigación que comprime la materia, como este estudio, también ayuda a los científicos a comprender y mejorar los experimentos de fusión en los que las formas de hidrógeno se combinan para formar helio y generar grandes cantidades de energía. Este es el proceso que alimenta el sol y otras estrellas, pero aún no se ha realizado de forma controlada para las centrales eléctricas de la Tierra.

En algunos experimentos de fusión, un combustible de dos formas diferentes de hidrógeno está rodeado por una capa de plástico que alcanza condiciones similares al interior de los planetas durante una etapa de compresión de corta duración. El experimento LCLS sobre plástico sugiere ahora que la química puede jugar un papel importante en esta etapa.

"Las simulaciones no capturan realmente lo que estamos observando en este campo, ", Dijo Glenzer." Nuestro estudio y otros proporcionan evidencia de que la acumulación de materia en este tipo de condiciones de alta presión es una fuerza a tener en cuenta ".