Wetenschappers bevestigen het diamantvormingsproces op Neptunus en Uranus na laboratoriumrecreatie in 2017

Er zijn aanwijzingen dat op de diepten van Neptunus en Uranus een enorme druk duizenden kilometers diep methaan verpulvert, waardoor koolstof wordt samengedrukt tot stromen vaste diamant. In 2017 slaagden onderzoekers erin om deze exacte reactie te reproduceren in een gecontroleerde laboratoriumomgeving.

Mensen hebben Neptunus slechts één keer bezocht, in 1989, tijdens de korte passage van het ruimtevaartuig Voyager 2. Daarom is bijna alle informatie over het binnenste van de planeet afkomstig van theoretische natuurkunde en niet van visuele observaties. Deze wetenschap wijst op een scenario dat regelrecht uit de fantasie van een juwelier lijkt te komen: een ondergrondse laag waar koolstof kristalliseert en neerslaat als pure diamant.

De theorie over het bestaan ​​van deze diamanten wordt al tientallen jaren besproken. Wat een recent keerpunt markeerde, was het vermogen van wetenschappers om een ​​klein deel van de interne omstandigheden van Neptunus in het laboratorium te repliceren, waardoor directe observatie van het proces mogelijk werd.

Waarom experts wantrouwend stonden tegenover de aanwezigheid van diamanten in ijsreuzen

Neptunus en Uranus worden door astronomen geclassificeerd als ijsreuzen, hoewel de term enigszins misleidend kan zijn. Ze bestaan ​​niet uit ijs zoals wij dat op aarde kennen. Onder hun waterstof- en heliumatmosfeer bevindt zich een diepe, extreem hete en dichte laag bestaande uit water, ammoniak en methaan. Deze elementen bevinden zich in materietoestanden die niet op onze planeet voorkomen.

Methaan vertegenwoordigt de meest voorkomende component op deze planeten. Elk van zijn moleculen heeft een koolstofatoom verbonden met vier waterstofatomen, en het is precies methaan dat de blauwgroene kleur aan beide hemellichamen geeft, door de absorptie van rood licht.

Naarmate je dichter bij het centrum van de planeet komt, bereikt de druk miljoenen atmosfeer en stijgt de temperatuur tot duizenden graden Celsius. In de jaren zeventig en tachtig stelden theoretici zoals natuurkundige Marvin Ross van het Lawrence Livermore National Laboratory voor dat methaan onder zulke extreme omstandigheden zou desintegreren. De vrijgekomen koolstof zou zich met zichzelf binden en op voldoende diepte diamantkristallen vormen. Omdat diamanten een grotere dichtheid hebben, zouden ze zinken en naar de kern afdalen als een soort minerale ‘sneeuw’.

Dit was een elegante en goed onderbouwde hypothese. Lange tijd bleef de experimentele verificatie ervan echter vrijwel onbereikbaar.

Moeilijkheden bij het simuleren van de interne omstandigheden van een verre planeet

Het verkennen van het binnenland van Neptunus met een sensor is een onhaalbare taak. De druk die nodig is om een ​​diamantenregen te vormen, bestaat onder duizenden kilometers atmosfeer, omstandigheden die elk ruimtevaartuig zouden vernietigen voordat het zelfs maar de gewenste diepte bereikt. Zo bestond het idee van diamantprecipitatie decennialang alleen in computersimulaties en academische debatten. Hoewel het een respectabel idee was, ontbrak het aan empirisch bewijs.

De grote vooruitgang vond plaats toen het mogelijk was de relevante omstandigheden in het laboratorium te creëren en deze lang genoeg in stand te houden om het resultaat vast te leggen, ook al was het maar voor een kort moment.

In 2017 gebruikte een team van wetenschappers onder leiding van natuurkundige Dominik Kraus de krachtige röntgenlaser in het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië. Het doel was om de chemische reactie te reproduceren en in actie te observeren. De resultaten werden later gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Astronomy.

De constructie van een “regen” van diamanten in een gecontroleerde omgeving

Interessant genoeg koos het onderzoeksteam ervoor om methaan niet rechtstreeks in het experiment te gebruiken. In plaats daarvan gebruikten ze een dunne laag gewoon polystyreen, het plastic dat te vinden is in wegwerpbekers en verpakkingen. De keuze is gemaakt omdat polystyreen is samengesteld uit waterstof en koolstof, dezelfde cruciale elementen die aanwezig zijn in ijsreuzen.

Vervolgens werd het plastic geraakt door een krachtige optische laser, waardoor twee schokgolven ontstonden: een snelle en een langzame. Ze werden gesynchroniseerd om elkaar te overlappen. Op het ontmoetingspunt werd het materiaal gedurende een korte periode blootgesteld aan druk- en hitteniveaus die vergelijkbaar waren met die duizenden kilometers binnen Neptunus.

Op dat exacte moment activeerden de wetenschappers de vrije-elektronen-röntgenlaser van het laboratorium, bekend als de Linac Coherent Light Source, om door het monster te gaan. De röntgenstralen werkten als een ultrasnelle camera en registreerden de rangschikking van atomen in een fractie van een seconde voordat al het materiaal uiteenviel.

De röntgengegevens waren doorslaggevend. In het overlapgebied dissocieerden de koolstofatomen van de waterstof en organiseerden zichzelf in de karakteristieke kristallijne structuur van diamant. Zoals gerapporteerd door SLAC, werd bijna alle koolstof in het monster samengevoegd tot kleine diamantstructuren, waarvan sommige slechts een paar nanometer in diameter waren, gevormd in minder tijd dan nodig is om licht door een kamer te laten gaan.

Wat het experiment bevestigde en wat er in theorie nog over is

Het is essentieel om duidelijk te zijn over de resultaten, omdat de populaire interpretatie van de ontdekking vaak vereenvoudigt wat het experiment feitelijk aantoonde.

Het laboratorium kon niet waarnemen dat diamanten in het binnenland van Neptunus vielen; Dit is nog nooit rechtstreeks waargenomen. Wat de studie bewees is dat de specifieke chemische stap, fundamenteel voor de theorie – de ontbinding van koolwaterstoffen onder de druk van een ijsreus en de daaropvolgende kristallisatie van koolstof in diamant – feitelijk efficiënt plaatsvindt in omstandigheden die de omgeving van deze planeten nabootsen. Dit verhoogde het idee van ‘diamantenregen’ van een plausibel model naar een bevestigd proces binnen het betreffende regime.

De bewering dat “het diamanten regent op Neptunus” is een redelijke gevolgtrekking gebaseerd op bewijsmateriaal, maar geen directe meting van het fenomeen. Het interieur van deze planeten wordt nog steeds begrepen door middel van modellen, zwaartekrachtgegevens en magnetische veldmetingen. Er bestaat een legitiem wetenschappelijk debat over de exacte temperaturen en diepte waarop deze laag diamanten zich zou vormen. Het experiment versterkte de hypothese aanzienlijk, maar resulteerde niet in de fysieke verkrijging van een planetaire diamant.

Het handhaven van dit onderscheid is van cruciaal belang, omdat het het verschil illustreert tussen het nauwkeurig rapporteren van een ontdekking en het simpelweg romantiseren ervan.

Het belang van diamanten, zelfs in kleine maten

Een hardnekkige vraag is of dit daadwerkelijk diamanten waren of slechts kleine korrels. In het laboratorium geproduceerde diamanten waren nanometrisch groot. Sommige modellen suggereren dat vallende diamanten op een echte planeet, als tijd en materie in overvloed aanwezig zijn, kunnen samenklonteren en veel grotere proporties en mogelijk miljoenen karaat kunnen bereiken. Dit is echter een voorspelling die nog steeds op het gebied van modellering plaatsvindt, zonder observationeel bewijs.

De meest fascinerende consequentie van deze hypothese ligt in het energetische aspect. Terwijl dichtere diamanten naar de planetaire kern zinken, geven ze zwaartekrachtenergie vrij in de vorm van warmte, vergelijkbaar met een steen die water in beweging brengt wanneer hij in een meer wordt gegooid. Het SLAC-team merkte op dat deze neerslag een extra bron van interne hitte zou kunnen zijn, een van de mysteries over hoe ijsreuzen erin slagen hun interne temperaturen hoog te houden. De omvang van deze bijdrage blijft echter een kwestie van modellering en niet van directe meting.

De planeten die nog onontgonnen zijn door de mensheid

Wat echt opvalt in het ‘diamantenregen’-verhaal zijn niet de diamanten zelf, maar eerder de beperkte kennis die we nog steeds hebben over deze werelden.

Neptunus en Uranus zijn de enige planeten in het zonnestelsel waar nog nooit een ruimtevaartuig omheen heeft gedraaid. Al ons inzicht is verzameld op basis van twee snelle passages van de Voyager-sondes eind jaren tachtig, naast telescopische waarnemingen en een enorme hoeveelheid theorie. Hoewel het meest recente Amerikaanse tienjarige planetaire wetenschappelijke onderzoek een orbitale sonde naar Uranus als prioriteitsmissie heeft aangegeven, betekenen de lange reistijden dat een dergelijke sonde pas meer dan tien jaar na de lancering zou arriveren.

Voorlopig is de meest concrete informatie die we hebben over het interieur van Neptunus verkregen uit een fragment van een plastic beker, een paar schokgolven en een röntgenpuls, allemaal uitgevoerd in een laboratorium in Californië. De diamanten die in dit experiment werden gegenereerd, bestonden slechts een zeer korte tijd voordat het monster uiteenviel. Ergens buiten onze baan, ondergedompeld in duisternis en druk, kan dezelfde reactie zich miljarden jaren in stilte hebben voltrokken, zonder dat we er getuige van zijn geweest.