כוכבי לכת ענקיים בקרח כמו נפטון ואוראנוס נמצאים בשפע רב בגלקסיה שלנו. הפנים שלהם מורכב בעיקר מתערובת נוזלים צפופה של מים, מתאן ואמוניה. בשל תנאים קיצוניים, יש גשם יהלום.
בניסוי קודם, מדענים דימו את הטמפרטורות הקשות, ולחצים שנמצאו עמוק בפנים נפטון ו אורנוסענקי הקרח של. בפעם הראשונה, הם יכלו לצפות בגשם של יהלומים.
מחקר חדש מצא כי "גשם יהלומים", סוג של משקעים אקזוטיים עם השערה ארוכה על כוכבי לכת ענקיים בקרח, עשוי להיות נפוץ יותר ממה שחשבו בעבר. המחקר מציע תמונה מלאה של האופן שבו גשם יהלומים נוצר על כוכבי לכת אחרים, וכאן על כדור הארץ, יכול להוביל לדרך חדשה לייצור ננו-יהלומים, שיש להם מגוון עצום של יישומים במתן תרופות, חיישנים רפואיים, ניתוחים לא פולשניים, ייצור בר קיימא, ואלקטרוניקה קוונטית.
זיגפריד גלנצר, מנהל חטיבת צפיפות אנרגיה גבוהה ב SLAC, אמר, "העיתון הקודם היה הפעם הראשונה שראינו ישירות היווצרות יהלומים מכל תערובות. מאז, היו ניסויים רבים עם חומרים טהורים שונים. אבל בתוך כוכבי לכת, זה הרבה יותר מסובך; הרבה יותר כימיקלים נמצאים בתערובת. ולכן, מה שרצינו להבין כאן זה איזו השפעה יש לכימיקלים הנוספים האלה."
בניסוי קודם, מדענים בחנו חומר פלסטי המורכב ממימן ופחמן, שני יסודות חיוניים בהרכב הכימי הכולל של נפטון ואוראנוס. אבל ענקי קרח כוללים גם אלמנטים נוספים, כמו כמויות משמעותיות של חמצן ו פַּחמָן, ומימן.
בניסוי שנערך לאחרונה, מדענים השתמשו בפלסטיק PET כדי לשחזר את הרכב כוכבי הלכת הללו בצורה מדויקת יותר.
דומיניק קראוס, פיזיקאי ב-HZDR ופרופסור באוניברסיטת רוסטוק, אמר: "ל-PET יש איזון טוב בין פחמן, מימן וחמצן כדי לדמות את הפעילות בכוכבי לכת קרח."
מדענים יצרו גלי הלם ב-PET באמצעות לייזר אופטי בעל עוצמה גבוהה במכשיר ה-Mater in Extreme Conditions (MEC) ב-Linac Coherent Light Source (LCLS) של SLAC. לאחר מכן הם חקרו מה קרה בפלסטיק עם פולסי רנטגן מ-LCLS.
מאוחר יותר השתמשו מדענים בדיפרקציה של קרני רנטגן כדי לראות איך האטומים של החומר מסודרים מחדש לאזורי יהלום קטנים. במקביל, הם השתמשו בשיטה אחרת שנקראת פיזור זווית קטנה כדי למדוד כמה מהר וגדול אזורים אלה גדלו. שיטה זו עוזרת להם לקבוע שאזורי היהלומים הללו גדלו לרוחב של כמה ננומטרים. הם גילו שננו-יהלומים יכולים להתפתח בלחצים וטמפרטורות נמוכים מאלה שצוינו בעבר כאשר חמצן נמצא בחומר.
קראוס אמר, "ההשפעה של החמצן הייתה להאיץ את פיצול הפחמן והמימן ובכך לעודד יצירת ננו-יהלומים. זה אומר שאטומי הפחמן יכולים להתאחד בקלות רבה יותר ולהיווצר יהלומים".
הצוות גם גילה הוכחה לכך שמיים סופריוניים עשויים להתרחש בשילוב עם יהלומים. שלב המים שזוהה לאחרונה המכונה לעתים קרובות "קרח חם ושחור", ניתן למצוא בלחצים וטמפרטורות גבוהים במיוחד.
מולקולות מים נשברות בתנאים קשים אלה, ואטומי חמצן מתארגנים לסריג גביש שבו גרעיני מימן חופשיים לנוע. מים סופריוניים יכולים להוליך זרם חשמלי עקב המטען החשמלי על הגרעינים הצפים בחופשיות הללו, מה שעשוי לעזור להסביר מדוע לאורנוס ולנפטון יש שדות מגנטיים מוזרים.
הממצאים עשויים גם להשפיע על ההבנה שלנו לגבי כוכבי לכת בגלקסיות רחוקות, מכיוון שמדענים מאמינים כעת שענקי קרח הם הצורה הנפוצה ביותר של כוכב לכת מחוץ למערכת השמש שלנו.
המדענית ומשתפת הפעולה של SLAC סילביה פנדולפי אמרה, "אנחנו יודעים שליבת כדור הארץ עשויה ברובה מברזל, אבל ניסויים רבים עדיין חוקרים כיצד נוכחותם של יסודות קלים יותר יכולה לשנות את תנאי ההיתוך ומעברי פאזה. הניסוי שלנו מדגים כיצד אלמנטים אלה יכולים לשנות את התנאים שיהלומים יוצרים על ענקי קרח. אם אנחנו רוצים לדגמן במדויק כוכבי לכת, אנחנו צריכים להתקרב ככל שנוכל להרכב הממשי של פנים פלנטרי".
המחקר גם מצביע על מסלול אפשרי לייצור ננו-יהלומים מפלסטיק PET זול באמצעות דחיסת זעזועים מונעת בלייזר. אבני חן זעירות אלו משמשות כיום בחומרי שיוף וחומרי ליטוש. ובכל זאת, הם עשויים להיות מנוצלים גם בחיישנים קוונטיים, חומרי ניגוד רפואיים ומאיצי תגובה לאנרגיה מתחדשת בעתיד.
המדען ומשתף הפעולה של SLAC בנימין אופורי-אוקאי אמר, "הדרך שבה ננו-יהלומים מיוצרים כיום היא על ידי לקיחת חבורה של פחמן או יהלום ולפוצץ אותם בחומרי נפץ. זה יוצר ננו-יהלומים בגדלים וצורות שונות וקשה לשלוט בו".
"מה שאנחנו רואים בניסוי זה תגובתיות שונה של אותו מין תחת טמפרטורה ולחץ גבוהים. במקרים מסוימים, נראה שהיהלומים נוצרים מהר יותר מאשר באחרים, מה שמרמז שנוכחותם של כימיקלים אחרים אלה יכולה להאיץ את התהליך הזה. ייצור לייזר יכול להציע שיטה נקייה יותר ומבוקרת בקלות רבה יותר לייצור ננו-יהלומים. אם נוכל לתכנן דרכים לשנות כמה דברים לגבי התגובתיות, נוכל לשנות את המהירות שבה הם נוצרים ולכן הם גדולים".
מדענים מתכננים ניסויים דומים באמצעות דגימות נוזליות המכילות אתנול, מים ואמוניה - ממה שאורנוס ונפטון עשויים בעיקר - מה שיקרב אותם להבנה בדיוק כיצד נוצר גשם יהלומים על כוכבי לכת אחרים.
מדען SLAC ומשתף פעולה ניקולס הארטלי אמר, "העובדה שאנחנו יכולים לשחזר את התנאים הקיצוניים האלה כדי לראות איך התהליכים האלה מתרחשים בהיקפים מהירים מאוד, קטנים מאוד היא מרגשת. הוספת חמצן מקרבת אותנו מתמיד כדי לראות את התמונה המלאה של התהליכים הפלנטריים האלה, אבל יש עוד עבודה לעשות. זה צעד לקראת קבלת התערובת המציאותית ביותר ולראות איך החומרים האלה באמת מתנהגים על כוכבי לכת אחרים".
עיון ביומן:
- Zhiyu He et al. קינטיקה של יצירת יהלום בדגימות C─H─O דחוסות בהלם מתועדות על ידי פיזור קרני רנטגן בזווית קטנה ודיפרקציה של קרני רנטגן. התקדמות מדע. כרך 8, גיליון 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
