Niestety, wciąż nie wiemy zbyt wiele na temat gazowych gigantów znajdujących się na skraju Układu Słonecznego – Urana oraz Neptuna. W końcu, jedynym satelitą, który dotychczas przeprowadził jakiekolwiek ich badania, był Voyager 2. Z tego powodu naukowcy zmuszeni są rozwiązywać przeróżne zagadki na ich temat z poziomu własnych laboratoriów. To nie przeszkadza im w dokonywaniu istotnych postępów, co właśnie po raz kolejny udowodnili.
Deszcz w postaci… diamentów
Jedną z ciekawszych cech charakterystycznych Neptuna i Urana jest to, że ekstremalne warunki panujące w ich atmosferach oraz zachodzące w nich chemiczne reakcje mogą prowadzić do pojawiania się opadów w formie…. diamentów. Pod wpływem ogromnego ciśnienia atmosferycznego głęboko w sercu tych planet atomy węgla i wodoru są ze sobą ściskane, tworząc kryształy cennego minerału.
Badacze po raz pierwszy przeprowadzili eksperyment, który pozwolił zgłębić to niesamowite zjawisko, już w 2017 roku. Niemniej, dopiero teraz udało im się dokładniej określić, w jaki sposób diamentowe opady powstają w atmosferach Neptuna i Urana. Rezultaty swojej pracy naukowcy przedstawili w czasopiśmie Nature Communications.
Uran jest jedną z planet, w atmosferze której powinny występować opady w formie diamentów. | Źródło: NASA/JPL
„Nasze eksperymenty dostarczają ważnych z punktu widzenia modelów parametrów – wcześniej mieliśmy do czynienia tylko z ogromną niepewnością”, powiedział Dominic Kraus, fizyk z niemieckiego laboratorium badawczego Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. „Staną się one jeszcze istotniejsze, gdy odkryjemy jeszcze więcej egzoplanet.”
Kraus i jego zespół przeprowadzili swoje badania na terenie Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda (SLAC) Uniwersytetu Stanforda, a w ich ramach skupiono się na przypadku Neptuna. Aby zrozumieć, jak dokładnie diamentowy deszcz powstaje w atmosferze gazowego olbrzyma podjęto się próby odtworzenia tego deszczu w laboratorium. W trakcie eksperymentu nie użyto jednak metanu (CH4), który wchodzi w skład Neptuna, a polistyren (C8H8) – ten sam, z którego produkuje się styropian.
Ekstremalne warunki
Wspomniany materiał poddano działaniu ciepła i ciśnienia odpowiadającym warunkom w atmosferze Neptuna na głębokości około 10 tysięcy kilometrów. To ciepło i ciśnienie wytworzono z pomocą impulsów optycznego lasera. Impulsy wygenerowały wewnątrz polistyrenu fale uderzeniowe, które spowodowały ogrzanie go do około 4727 stopni Celsjusza i podniesienie ciśnienia do ogromnych wartości.
„Wytwarzamy około 1,5 miliona barów co odpowiada ciśnieniu wywieranemu na paznokieć kciuka przez 250 słoni afrykańskich,”, stwierdził Kraus.
Następnie uczeni wykorzystali instrument o nazwie Linac Coherent Light Source (LCLS) dostępny na terenie SLAC, by oświetlić polistyren promieniowaniem rentgenowskim i zobaczyć, jak to promieniowanie odbija się od elektronów w jego wnętrzu. Dzięki temu badacze po raz pierwszy zobaczyli, jak wewnątrz atmosfery Neptuna przebiegają chemiczne reakcje prowadzące do diamentowych opadów. W laboratoryjnej próbce cząsteczki węglowodoru się rozpadały, powodując powstanie węgla, który natychmiastowo zamieniał się w diament i tonął oraz wodoru, który się ulatniał. Co istotne niemalże cały węgiel stawał się kryształami diamentu.
Badacze zgłębili proces powstawania diamentowego deszczu w atmosferze Neptuna, oświetlając swoją próbkę, poddaną działaniu niesamowicie wysokiej temperatury oraz ogromnego ciśnienia, promieniowaniem rentgenowskim. | Źródło: HZDR/Sahneweiß
„W przypadku gazowych gigantów teraz wiemy, że węgiel tworzy prawie wyłącznie diamenty, gdy oddziela się [od wodoru] i nie przyjmuje ciekłej postaci przejściowej.”, poinformował Kraus.
Co ciekawe, eksperyment może wyjaśniać, dlaczego jądro Neptuna wytwarza tak ogromne ilości energii, a produkuje on 2,6 razy więcej energii niż absorbuje. Możliwe, że za tę nadprogramową energię odpowiadają właśnie diamenty, które opadając w stronę jądra Neptuna generują energię grawitacyjną oraz cieplną.
Źródło: HZDR, Fot. tyt. NASA