Wissenschaftler bestätigen Diamantbildungsprozess auf Neptun und Uranus nach Laborrekonstruktion im Jahr 2017

Es gibt Hinweise darauf, dass in den Tiefen von Neptun und Uranus ein gewaltiger Druck in Tausenden von Kilometern Tiefe Methan pulverisiert und Kohlenstoff zu Strömen aus massivem Diamant komprimiert. Im Jahr 2017 gelang es Forschern, genau diese Reaktion in einer kontrollierten Laborumgebung zu reproduzieren.

Menschen haben Neptun nur einmal besucht, im Jahr 1989, während der kurzen Passage der Raumsonde Voyager 2. Daher stammen fast alle Informationen über das Innere des Planeten eher aus der theoretischen Physik als aus visuellen Beobachtungen. Diese Wissenschaft weist auf ein Szenario hin, das direkt aus der Fantasie eines Juweliers zu stammen scheint: eine unterirdische Schicht, in der Kohlenstoff wie reiner Diamant kristallisiert und ausfällt.

Die Theorie über die Existenz dieser Diamanten wird seit Jahrzehnten diskutiert. Ein neuer Wendepunkt war die Fähigkeit der Wissenschaftler, einen kleinen Teil der inneren Bedingungen Neptuns im Labor nachzubilden und so eine direkte Beobachtung des Prozesses zu ermöglichen.

Warum Experten das Vorhandensein von Diamanten in Eisriesen misstrauisch betrachteten

Neptun und Uranus werden von Astronomen als Eisriesen klassifiziert, obwohl der Begriff etwas irreführend sein kann. Sie bestehen nicht aus Eis, wie wir es auf der Erde kennen. Unter ihrer Wasserstoff- und Heliumatmosphäre befindet sich eine tiefe, extrem heiße und dichte Schicht aus Wasser, Ammoniak und Methan. Diese Elemente liegen in Materiezuständen vor, die es auf unserem Planeten nicht gibt.

Methan ist der am häufigsten vorkommende Bestandteil auf diesen Planeten. Jedes seiner Moleküle hat ein Kohlenstoffatom, das mit vier Wasserstoffatomen verbunden ist, und genau Methan verleiht beiden Himmelskörpern durch die Absorption von rotem Licht die blaugrüne Farbe.

Wenn man sich dem Zentrum des Planeten nähert, erreicht der Druck Millionen von Atmosphären und die Temperatur steigt auf Tausende von Grad Celsius. In den 1970er und 1980er Jahren schlugen Theoretiker wie der Physiker Marvin Ross vom Lawrence Livermore National Laboratory vor, dass Methan unter solch extremen Bedingungen zerfallen würde. Der freigesetzte Kohlenstoff würde sich mit sich selbst verbinden und in ausreichender Tiefe Diamantkristalle bilden. Da Diamanten dichter sind, würden sie sinken und wie eine Art mineralischer „Schnee“ in Richtung Kern absinken.

Das war eine elegante und fundierte Hypothese. Der experimentelle Nachweis blieb jedoch lange Zeit nahezu unerreichbar.

Schwierigkeiten bei der Simulation der inneren Bedingungen eines fernen Planeten

Das Innere von Neptun mit einem Sensor zu erkunden, ist eine unlösbare Aufgabe. Der für die Bildung eines Diamantenschauers erforderliche Druck herrscht unter Tausenden von Kilometern Atmosphäre, Bedingungen, die jedes Raumschiff zerstören würden, bevor es überhaupt die gewünschte Tiefe erreicht. So existierte die Idee der Diamantfällung jahrzehntelang nur in Computersimulationen und wissenschaftlichen Debatten. Obwohl es eine respektable Idee war, fehlte es an empirischen Beweisen.

Der große Fortschritt erfolgte, als es gelang, im Labor die entsprechenden Bedingungen zu schaffen und diese lange genug aufrechtzuerhalten, um das Ergebnis, wenn auch nur für einen kurzen Moment, aufzuzeichnen.

Im Jahr 2017 nutzte ein Wissenschaftlerteam um den Physiker Dominik Kraus den leistungsstarken Röntgenlaser am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien. Ziel war es, die chemische Reaktion zu reproduzieren und in Aktion zu beobachten. Die Ergebnisse wurden später in der renommierten Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Der Aufbau eines „Regens“ aus Diamanten in einer kontrollierten Umgebung

Interessanterweise entschied sich das Forschungsteam dafür, Methan im Experiment nicht direkt zu verwenden. Stattdessen verwendeten sie eine dünne Schicht aus normalem Polystyrol, dem Kunststoff, der in Einwegbechern und -verpackungen zu finden ist. Die Wahl wurde getroffen, weil Polystyrol aus Wasserstoff und Kohlenstoff besteht, den gleichen entscheidenden Elementen, die auch in Eisriesen vorkommen.

Dann wurde der Kunststoff von einem leistungsstarken optischen Laser getroffen, der zwei Stoßwellen erzeugte: eine schnelle und eine langsame. Sie wurden so synchronisiert, dass sie sich überlappten. Am Treffpunkt war das Material für kurze Zeit einem Druck und einer Hitze ausgesetzt, die denen ähneln, die Tausende von Kilometern im Inneren von Neptun herrschen.

Genau in diesem Moment aktivierten die Wissenschaftler den freien Elektronen-Röntgenlaser des Labors, bekannt als Linac Coherent Light Source, um die Probe zu durchdringen. Die Röntgenstrahlen funktionierten wie eine ultraschnelle Kamera und zeichneten die Anordnung der Atome im Bruchteil einer Sekunde auf, bevor das gesamte Material zerfiel.

Ausschlaggebend waren die Röntgenaufnahmen. Im Überlappungsbereich lösten sich die Kohlenstoffatome vom Wasserstoff und organisierten sich in der charakteristischen Kristallstruktur des Diamanten. Wie SLAC berichtete, verschmolz fast der gesamte Kohlenstoff in der Probe zu winzigen Diamantstrukturen, von denen einige nur wenige Nanometer im Durchmesser waren und die sich in kürzerer Zeit bildeten, als Licht braucht, um einen Raum zu durchqueren.

Was das Experiment bestätigte und was noch in der Theorie bleibt

Es ist wichtig, sich über die Ergebnisse im Klaren zu sein, da die gängige Interpretation der Entdeckung oft vereinfacht, was das Experiment tatsächlich gezeigt hat.

Das Labor konnte keine Diamanten beobachten, die in das Innere von Neptun fielen; Dies wurde nie direkt beobachtet. Die Studie bewies, dass der spezifische chemische Schritt, der für die Theorie von grundlegender Bedeutung ist – die Zersetzung von Kohlenwasserstoffen unter dem Druck eines Eisriesen und die anschließende Kristallisation von Kohlenstoff zu Diamant – tatsächlich effizient unter Bedingungen abläuft, die die Umgebung dieser Planeten nachbilden. Dadurch wurde die Idee des „Diamantenregens“ von einem plausiblen Modell zu einem bestätigten Prozess innerhalb des betreffenden Regimes.

Die Aussage, dass „es Diamanten auf Neptun regnet“, ist eine vernünftige Schlussfolgerung, die auf Beweisen basiert, aber keine direkte Messung des Phänomens. Das Innere dieser Planeten wird immer noch durch Modelle, Gravitationsdaten und Magnetfeldmesswerte verstanden. Es gibt berechtigte wissenschaftliche Debatten über die genauen Temperaturen und die Tiefe, bei denen sich diese Diamantschicht bilden würde. Das Experiment untermauerte die Hypothese erheblich, führte jedoch nicht zur physischen Gewinnung eines Planetendiamanten.

Die Beibehaltung dieser Unterscheidung ist von entscheidender Bedeutung, da sie den Unterschied zwischen der genauen Berichterstattung über eine Entdeckung und der bloßen Romantisierung verdeutlicht.

Bedeutung von Diamanten, auch in kleinen Größen

Eine hartnäckige Frage ist, ob es sich tatsächlich um Diamanten handelte oder nur um kleine Körner. Im Labor hergestellte Diamanten hatten eine Größe im Nanometerbereich. Einige Modelle deuten darauf hin, dass auf einem realen Planeten mit Zeit und Materie im Überfluss fallende Diamanten zusammenklumpen und viel größere Ausmaße und möglicherweise Millionen von Karat erreichen könnten. Dies ist jedoch eine Vorhersage, die noch im Bereich der Modellierung liegt und für die es keinen Beobachtungsnachweis gibt.

Die faszinierendste Konsequenz dieser Hypothese liegt im energetischen Aspekt. Wenn dichtere Diamanten in Richtung des Planetenkerns sinken, setzen sie Gravitationsenergie in Form von Wärme frei, ähnlich wie ein Stein, der Wasser aufwirbelt, wenn er in einen See geworfen wird. Das SLAC-Team stellte fest, dass dieser Niederschlag eine zusätzliche Quelle innerer Wärme sein könnte, eines der Rätsel darüber, wie Eisriesen es schaffen, ihre Innentemperaturen hoch zu halten. Das Ausmaß dieses Beitrags bleibt jedoch eine Frage der Modellierung und nicht der direkten Messung.

Die Planeten, die von der Menschheit noch unerforscht sind

Was in der Erzählung vom „Diamantenregen“ wirklich hervorsticht, sind nicht die Diamanten selbst, sondern vielmehr das begrenzte Wissen, das wir noch über diese Welten haben.

Neptun und Uranus sind die einzigen Planeten im Sonnensystem, die noch nie von einer Raumsonde umkreist wurden. Unser gesamtes Verständnis wurde aus zwei schnellen Vorbeiflügen der Voyager-Sonden in den späten 1980er Jahren sowie aus Teleskopbeobachtungen und einer umfangreichen Theoriesammlung zusammengestellt. Obwohl die jüngste dekadische planetarische Untersuchung der USA eine Orbitalsonde zum Uranus als vorrangige Mission angab, bedeuteten die langen Reisezeiten, dass eine solche Sonde erst mehr als ein Jahrzehnt nach ihrem Start eintreffen würde.

Die derzeit konkretesten Informationen über das Innere von Neptun stammen aus einem Fragment eines Plastikbechers, zwei Stoßwellen und einem Röntgenimpuls, die alle in einem Labor in Kalifornien durchgeführt wurden. Die in diesem Experiment erzeugten Diamanten existierten nur sehr kurze Zeit, bevor die Probe zerfiel. Irgendwo jenseits unserer Umlaufbahn, eingetaucht in Dunkelheit und Druck, könnte dieselbe Reaktion seit Milliarden von Jahren still und leise stattgefunden haben, ohne dass wir sie gesehen hätten.