海王星と天王星の深部では、数千キロメートルの深さの巨大な圧力がメタンを粉砕し、炭素を圧縮して固体ダイヤモンドの流れを作っているという証拠があります。 2017 年、研究者たちは、制御された実験室環境でこの正確な反応を再現することに成功しました。
人類が海王星を訪れたのは、1989 年にボイジャー 2 号宇宙船が短時間通過したときの 1 度だけです。したがって、惑星の内部に関するほとんどすべての情報は、視覚的観測ではなく理論物理学から得られます。この科学は、宝石商の空想から出てきたようなシナリオを示しています。それは、純粋なダイヤモンドのように炭素が結晶化して沈殿する地下層です。
これらのダイヤモンドの存在に関する理論は、何十年も議論されてきました。最近の転換点となったのは、科学者たちが実験室で海王星の内部状態のごく一部を再現し、その過程を直接観察できるようになったことでした。
専門家が氷の巨人にダイヤモンドが存在することに疑問を抱いた理由
海王星と天王星は天文学者によって氷の巨人として分類されていますが、この用語は少し誤解を招く可能性があります。私たちが地球上で知っているような氷で構成されているわけではありません。水素とヘリウムの大気の下には、水、アンモニア、メタンで構成される深く、非常に高温で緻密な層があります。これらの元素は、地球上では見られない物質の状態にあります。
メタンはこれらの惑星で最も豊富な成分です。それぞれの分子には 4 つの水素原子と結合した炭素原子があり、赤色光の吸収によって両方の天体に青緑色を与えているのはまさにメタンです。
惑星の中心に向かって進むにつれて、圧力は数百万気圧に達し、温度は摂氏数千度まで上昇します。 1970 年代と 1980 年代、ローレンス リバモア国立研究所の物理学者マービン ロスなどの理論家は、このような極端な条件下ではメタンが崩壊すると提案しました。放出された炭素はそれ自体と結合し、十分な深さでダイヤモンド結晶を形成します。ダイヤモンドは密度が高いため、一種の鉱物「雪」のように、中心に向かって沈みます。
これは洗練された、十分に根拠のある仮説でした。しかし、長い間、その実験的検証はほとんど達成できないままでした。
遠く離れた惑星の内部状態をシミュレーションすることの難しさ
センサーを使って海王星の内部を探索することは実現不可能な作業です。ダイヤモンド シャワーを形成するのに必要な圧力は数千キロメートルの大気の下に存在し、宇宙船が目的の深さに達する前に破壊されてしまうような条件です。したがって、何十年もの間、ダイヤモンドの析出という考えはコンピューター シミュレーションと学術的な議論の中にのみ存在していました。それは立派なアイデアではありましたが、経験的な証拠が不足していました。
大きな進歩は、実験室で適切な条件を作り出し、それがたとえ短時間であっても結果を記録するのに十分な時間維持することができたときに起こりました。
2017年、物理学者ドミニク・クラウス率いる科学者チームは、カリフォルニアにあるSLAC国立加速器研究所で強力なX線レーザーを使用した。目的は、化学反応を再現し、その動作を観察することでした。この結果は後に権威ある雑誌「Nature Astronomy」に掲載されました。
制御された環境でのダイヤモンドの「雨」の構築
興味深いことに、研究チームは実験にメタンを直接使用しないことを選択しました。代わりに、使い捨てカップや包装に使われるプラスチックである通常のポリスチレンの薄い層を採用しました。この選択がなされたのは、ポリスチレンが氷の巨人に存在するのと同じ重要な元素である水素と炭素で構成されているためです。
次に、プラスチックに強力な光学レーザーが照射され、速い衝撃波と遅い衝撃波の 2 つの衝撃波が発生しました。それらは重なるように同期されていました。集合地点では、物質は海王星の内部数千キロメートルで発見されたものと同様のレベルの圧力と熱に短期間さらされた。
まさにその瞬間、科学者たちはリニアックコヒーレント光源として知られる研究室の自由電子 X 線レーザーを作動させ、サンプルを通過させました。 X線は超高速カメラのように機能し、すべての物質が崩壊する前の数分の1秒で原子の配置を記録しました。
X線記録が決定的となった。重なり合う領域では、炭素原子が水素から解離し、ダイヤモンドの特徴的な結晶構造に組織化されます。 SLAC の報告によると、サンプル中の炭素のほぼすべてが小さなダイヤモンド構造に凝集しており、中には直径わずか数ナノメートルのものもあり、光が部屋を通過するよりも短い時間で形成されました。
実験で確認されたことと、まだ理論に残っていること
この発見に対する一般的な解釈は実験で実際に実証されたことを単純化してしまうことが多いため、結果について明確にすることが重要です。
研究所では海王星の内部にダイヤモンドが落下する様子を観察できなかった。これは直接目撃されたことはありません。この研究で証明されたのは、理論の基礎となる特定の化学段階、つまり巨大氷の圧力下での炭化水素の分解とその後の炭素のダイヤモンドへの結晶化が、これらの惑星の環境を再現する条件下で実際に効率的に起こるということだ。これにより、「ダイヤモンドの雨」のアイデアが、もっともらしいモデルから、関連する体制内で確認されたプロセスに昇格しました。
「海王星にダイヤモンドの雨が降る」という記述は、証拠に基づいた合理的な推論ですが、現象を直接測定したものではありません。これらの惑星の内部は、模型、重力データ、磁場の測定値を通じて今でも理解されています。このダイヤモンドの層が形成される正確な温度と深さについては、正当な科学的議論があります。この実験は仮説をかなり裏付けましたが、惑星ダイヤモンドの物理的な取得には至りませんでした。
この区別を維持することは、発見を正確に報告することと、それを単に美化することとの違いを示すため、非常に重要です。
たとえ小さなサイズであってもダイヤモンドの重要性
これらは実際にダイヤモンドだったのか、それとも単なる小さな粒子だったのかという根深い疑問があります。実験室で生成されたダイヤモンドのサイズはナノメートルでした。いくつかのモデルは、現実の惑星では、時間と物質が豊富にあるため、落下するダイヤモンドが凝集し、はるかに大きな割合に達し、おそらく数百万カラットに達する可能性があることを示唆しています。ただし、これはまだモデリングの段階にある予測であり、観察による証拠はありません。
この仮説の最も興味深い結果はエネルギー面にあります。密度の高いダイヤモンドが惑星の核に向かって沈むにつれて、湖に投げ込まれたときに水をかき混ぜる石と同様に、重力エネルギーが熱の形で放出されます。 SLACチームは、この降水がさらなる内部熱源となる可能性があり、氷の巨人がどのようにして内部温度を高く保っているのかについての謎の1つであると指摘した。ただし、この寄与の大きさは依然としてモデリングの問題であり、直接測定することはできません。
人類がまだ探検していない惑星
「ダイヤモンドの雨」の物語で本当に際立っているのは、ダイヤモンドそのものではなく、むしろこれらの世界について私たちがまだ持っている限られた知識です。
海王星と天王星は、太陽系で宇宙船によって周回されたことがない唯一の惑星です。私たちの理解はすべて、1980 年代後半のボイジャー探査機の 2 回の素早い飛行、望遠鏡による観測、および膨大な理論からまとめられました。最新の米国の10年にわたる惑星科学調査では、天王星への軌道探査機が優先ミッションとして示されているが、長時間の移動時間を考慮すると、そのような探査機は打ち上げから10年以上経たないと到着しないことになる。
今のところ、海王星の内部について私たちが得ている最も具体的な情報は、プラスチックカップの破片、一対の衝撃波、X線パルスから得られ、これらはすべてカリフォルニアの実験室で行われた。この実験で生成されたダイヤモンドは、サンプルが崩壊するまでの非常に短い時間存在しました。私たちの軌道を超えたどこか、暗闇と圧力に包まれた場所で、私たちが目撃することなく、同じ反応が何十億年もの間、静かに起こっていたのかもしれません。
