En un experimento diseñado para imitar las condiciones profundas dentro de los planetas gigantes helados de nuestro sistema solar, los científicos pudieron observar la "lluvia de diamantes" por primera vez cuando se formó en condiciones de alta presión. La presión extremadamente alta exprime hidrógeno y carbonoencontrado 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 surge a más de 5,000 millas debajo de la superficie de Urano y Neptuno, creada a partir de mezclas comúnmente encontradas de solo hidrógeno y carbono. Los interiores de estos planetas son similares: ambos contienen núcleos sólidos rodeados por ungranizado denso de diferentes hielos. Con los planetas helados en nuestro sistema solar, "hielo" se refiere a las moléculas de hidrógeno conectadas a elementos más ligeros, como el carbono, el oxígeno y / o el nitrógeno.
Los investigadores simularon el entorno que se encuentra dentro de estos planetas creando ondas de choque en plástico con un láser óptico intenso en el instrumento Materia en condiciones extremas MEC del láser de rayos X de electrones libres del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, la fuente de luz coherente Linac LCLS.
En el experimento, pudieron ver que casi todos los átomos de carbono del plástico original se incorporaron en pequeñas estructuras de diamantes de hasta unos pocos nanómetros de ancho. En Urano y Neptuno, los autores del estudio predicen que los diamantes serían mucho más grandes, tal vezmillones de quilates de peso. Los investigadores también creen que es posible que durante miles de años, los diamantes se hundan lentamente a través de las capas de hielo de los planetas y se junten en una gruesa capa alrededor del núcleo.
La investigación fue publicada en Astronomía de la naturaleza el 21 de agosto
"Anteriormente, 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 losmejores momentos de mi carrera científica "
Los 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 en las que 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 cuadrillonésimos de segundo, permitieron a los científicos medir directamente la reacción química.
Otros experimentos anteriores también vieron indicios de formación de carbono de 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 están de acuerdo con las predicciones teóricas sobre las condiciones bajo las cuales se puede formar dicha precipitación y proporcionará a los científicos una mejor información para describir y clasificar otros mundos.
Convertir plástico en diamante
En el experimento, el plástico simula compuestos formados a partir de metano, una molécula con solo un carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno que causa el distintivo 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 supusieron para responder a la presión y temperatura altas en capas más profundas y formar la precipitación chispeante.
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, eso esen el momento en que la presión alcanza su punto máximo y cuando se forman la mayoría de los diamantes, dijo Kraus.
Durante esos momentos, el equipo investigó la reacción con pulsos de rayos X de LCLS que duraron 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 femtosegundo.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, tuvimos LCLS, la fuente de rayos X más brillante del mundo", dijo Siegfried Glenzer, profesor de ciencia de fotones en SLAC y coautor del artículo. "Se necesitan estos pulsos intensos y rápidos deRayos X para ver inequívocamente la estructura de estos diamantes, ya que solo se forman en el laboratorio por un tiempo tan corto ".
Nanodiamantes en el trabajo
Cuando los astrónomos observan exoplanetas fuera de nuestro sistema solar, pueden medir dos rasgos primarios: la masa, que se mide por el bamboleo de las estrellas y el radio, observado desde la sombra cuando el planeta pasa frente a una estrella.La relación entre los dos se usa para clasificar un planeta y ayudar a determinar si puede estar compuesto de elementos más pesados o más ligeros.
"Con los planetas, la relación entre la masa y el radio puede informar 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 agrupan bajo presión en el interior de un planeta determinado puede cambiar la forma en que los científicos calculan la relación entre la masa y el radio, permitiendo a los científicos modelar y clasificar mejor los planetas individuales.la lluvia de diamantes "también podría ser una fuente adicional de energía, generando calor mientras se hunde hacia el núcleo.
"No podemos entrar a 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 a la ciencia planetaria, los nanodiamantes fabricados en la Tierra podrían ser cosechados con fines comerciales, usos que abarcan la medicina, el equipo científico y la electrónica. Actualmente, los nanodiamantes se producen comercialmente a partir de explosivos; la producción láser puede ofrecer unmétodo más limpio y más fácil de controlar.
La investigación que comprime la materia, como este estudio, también ayuda a los científicos a comprender y mejorar los experimentos de fusión donde las formas de hidrógeno se combinan para formar helio para generar grandes cantidades de energía. Este es el proceso que alimenta el sol y otras estrellas, pero aún no se ha logradorealizado de forma controlada para plantas de energía en 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 en plástico ahora sugiere que la química puede jugar un papelpapel importante en esta etapa.
"Las simulaciones realmente no capturan lo que estamos observando en este campo", dijo Glenzer. "Nuestro estudio y otros proporcionan evidencia de que la aglomeración de materia en este tipo de condiciones de alta presión es una fuerza a tener en cuenta".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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