Les planètes géantes de glace telles que Neptune et Uranus sont très abondantes dans notre galaxie. Leurs intérieurs sont principalement composés d'un mélange fluide dense d'eau, de méthane et d'ammoniac. En raison de conditions extrêmes, il pleut du diamant.
Dans une expérience précédente, les scientifiques ont simulé les températures sévères et les pressions trouvées profondément à l'intérieur Neptune ainsi que Uranus's géants de glace. Pour la première fois, ils ont pu observer la formation d'une pluie de diamants.
Une nouvelle étude a révélé que la «pluie de diamants», un type de précipitations exotiques supposé depuis longtemps sur les planètes géantes de glace, pourrait être plus courante qu'on ne le pensait auparavant. L'étude offre une image complète de la façon dont la pluie de diamants se forme sur d'autres planètes et, ici sur Terre, pourrait conduire à une nouvelle façon de fabriquer des nanodiamants, qui ont une vaste gamme d'applications dans l'administration de médicaments, les capteurs médicaux, la chirurgie non invasive, la fabrication durable, et l'électronique quantique.
Siegfried Glanzer, directeur de la Division Haute Densité d'Énergie chez SLAC, m'a dit, "L'article précédent était la première fois que nous voyions directement formation de diamants de tous les mélanges. Depuis lors, il y a eu de nombreuses expériences avec différents matériaux purs. Mais à l'intérieur des planètes, c'est beaucoup plus compliqué ; beaucoup plus de produits chimiques sont dans le mélange. Et donc, ce que nous voulions comprendre ici, c'était quel genre d'effet ces produits chimiques supplémentaires ont.
Dans une expérience antérieure, les scientifiques ont examiné un matériau plastique composé d'hydrogène et de carbone, deux éléments essentiels de la composition chimique globale de Neptune et d'Uranus. Mais les géantes de glace comprennent également des éléments supplémentaires, tels que des quantités importantes de oxygène ainsi que carbone, et de l'hydrogène.
Dans une expérience récente, des scientifiques ont utilisé du plastique PET pour reproduire plus précisément la composition de ces planètes.
Dominik Kraus, physicien au HZDR et professeur à l'Université de Rostock, a déclaré : "Le PET a un bon équilibre entre le carbone, l'hydrogène et l'oxygène pour simuler l'activité des planètes de glace."
Les scientifiques ont créé des ondes de choc dans le PET à l'aide d'un laser optique de haute puissance sur l'instrument Matter in Extreme Conditions (MEC) de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC. Ils ont ensuite exploré ce qui s'est passé dans le plastique avec des impulsions de rayons X de LCLS.
Les scientifiques ont ensuite utilisé la diffraction des rayons X pour observer les atomes du matériau se réorganiser en petites régions de diamant. Dans le même temps, ils ont utilisé une autre méthode appelée diffusion aux petits angles pour mesurer la vitesse et la taille de ces régions. Cette méthode les aide à déterminer que ces régions de diamant ont atteint une largeur de quelques nanomètres. Ils ont découvert que les nanodiamants pouvaient se développer à des pressions et des températures inférieures à celles notées précédemment lorsque l'oxygène était présent dans la substance.
Kraus a dit, « L'oxygène a eu pour effet d'accélérer la séparation du carbone et de l'hydrogène et donc de favoriser la formation de nanodiamants. Cela signifiait que les atomes de carbone pouvaient se combiner plus facilement et former diamants. »
L'équipe a également découvert la preuve que de l'eau superionique pouvait être associée à des diamants. Cette phase aqueuse récemment identifiée, fréquemment appelée «glace noire chaude», peut être trouvée à des pressions et des températures extraordinairement élevées.
Les molécules d'eau se brisent dans ces conditions sévères et les atomes d'oxygène s'organisent en un réseau cristallin où les noyaux d'hydrogène sont libres de se déplacer. L'eau superionique peut conduire le courant électrique en raison de la charge électrique sur ces noyaux flottants, ce qui peut aider à expliquer pourquoi Uranus et Neptune ont des champs magnétiques particuliers.
Les découvertes pourraient également avoir un impact sur notre compréhension des planètes dans les galaxies lointaines puisque les scientifiques pensent maintenant que les géantes de glace sont la forme la plus courante d'une planète en dehors de notre système solaire.
Silvia Pandolfi, scientifique et collaboratrice du SLAC, a déclaré : « Nous savons que le noyau terrestre est principalement constitué de fer, mais de nombreuses expériences étudient encore comment la présence d'éléments plus légers peut modifier les conditions de fusion et les transitions de phase. Notre expérience démontre comment ces éléments peuvent modifier les conditions que forment les diamants sur les géantes de glace. Si nous voulons modéliser avec précision les planètes, nous devons nous rapprocher le plus possible de la composition réelle du intérieur planétaire. »
L'étude indique également une voie potentielle pour la fabrication de nanodiamants à partir de plastiques PET bon marché en utilisant la compression par choc laser. Ces minuscules pierres précieuses sont actuellement utilisées dans les abrasifs et les agents de polissage. Pourtant, ils pourraient également être utilisés dans les capteurs quantiques, les agents de contraste médicinaux et les accélérateurs de réaction d'énergie renouvelable à l'avenir.
Benjamin Ofori-Okai, scientifique et collaborateur du SLAC, a déclaré : «La façon dont les nanodiamants sont actuellement fabriqués consiste à prendre un tas de carbone ou de diamant et à le faire exploser avec des explosifs. Cela crée des nanodiamants de différentes tailles et formes et est difficile à contrôler.
«Ce que nous voyons dans cette expérience est une réactivité différente de la même espèce à haute température et pression. Dans certains cas, les diamants semblent se former plus rapidement que dans d'autres, ce qui suggère que la présence de ces autres produits chimiques peut accélérer ce processus. La production au laser pourrait offrir une méthode plus propre et plus facilement contrôlée pour produire des nanodiamants. Si nous pouvons concevoir des moyens de changer certaines choses concernant la réactivité, nous pouvons changer la rapidité avec laquelle elles se forment et donc leur taille.
Les scientifiques prévoient des expériences similaires en utilisant des échantillons liquides contenant de l'éthanol, de l'eau et de l'ammoniac - dont Uranus et Neptune sont principalement constitués - ce qui les rapprochera de la compréhension exacte de la formation de la pluie de diamants sur d'autres planètes.
Nicholas Hartley, scientifique et collaborateur du SLAC a affirmé Valérie Plante., « Le fait que nous puissions recréer ces conditions extrêmes pour voir comment ces processus se déroulent à très petite échelle et très rapidement est passionnant. L'ajout d'oxygène nous rapproche plus que jamais de l'image complète de ces processus planétaires, mais il reste encore du travail à faire. C'est une étape pour obtenir le mélange le plus réaliste et voir comment ces matériaux se comportent réellement sur d'autres planètes.
Journal de référence:
- Zhiyu He et al. Cinétique de formation de diamants dans des échantillons de C─H─O comprimés par choc, enregistrée par diffusion de rayons X aux petits angles et diffraction des rayons X. Science Advances. Vol 8, numéro 35. DOI : 10.1126/sciadv.abo0617
