ดาวเคราะห์ยักษ์น้ำแข็ง เช่น ดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสนั้นมีอยู่อย่างอุดมสมบูรณ์ในกาแลคซีของเรา ภายในส่วนใหญ่ประกอบด้วยของเหลวที่มีความหนาแน่นสูงผสมระหว่างน้ำ มีเทน และแอมโมเนีย เนื่องจากสภาวะที่รุนแรง จึงมีฝนตกเพชร
ในการทดลองครั้งก่อน นักวิทยาศาสตร์ได้จำลองอุณหภูมิที่รุนแรง และความกดดันที่อยู่ลึกเข้าไปข้างใน เกตุ และ ดาวมฤตยูยักษ์น้ำแข็ง เป็นครั้งแรกที่พวกเขาสามารถชมรูปฝนเพชรได้
การศึกษาใหม่พบว่า "ฝนเพชร" ซึ่งเป็นการตกตะกอนชนิดแปลกปลอมบนดาวเคราะห์ยักษ์น้ำแข็งที่มีการตั้งสมมติฐานมายาวนาน อาจเป็นเรื่องปกติมากกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ การศึกษานี้นำเสนอภาพที่สมบูรณ์ว่าฝนเพชรก่อตัวบนดาวเคราะห์ดวงอื่นได้อย่างไร และบนโลกนี้ อาจนำไปสู่วิธีใหม่ในการผลิตเพชรนาโน ซึ่งมีการใช้งานที่หลากหลายในการส่งยา เซ็นเซอร์ทางการแพทย์ การผ่าตัดแบบไม่รุกล้ำ การผลิตที่ยั่งยืน และอิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม
Siegfried Glanzer ผู้อำนวยการแผนกความหนาแน่นพลังงานสูงของ สแลค, กล่าวว่า, “กระดาษฉบับก่อนหน้านี้เป็นครั้งแรกที่เราเห็นโดยตรง การก่อตัวของเพชร จากส่วนผสมใดๆ ตั้งแต่นั้นมา มีการทดลองมากมายกับวัสดุบริสุทธิ์ต่างๆ แต่ภายในดาวเคราะห์นั้น มันซับซ้อนกว่ามาก มีสารเคมีอีกมากมายผสมอยู่ ดังนั้น สิ่งที่เราต้องการทราบก็คือสารเคมีเพิ่มเติมเหล่านี้มีผลกระทบอย่างไร”
ในการทดลองก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาวัสดุพลาสติกที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและคาร์บอน ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญสองประการขององค์ประกอบทางเคมีโดยรวมของดาวเนปจูนและดาวยูเรนัส แต่ยักษ์น้ำแข็งยังรวมเอาองค์ประกอบเพิ่มเติมเข้าไปด้วย เช่น ปริมาณที่มีนัยสำคัญ ออกซิเจน และ คาร์บอนและไฮโดรเจน
ในการทดลองเมื่อเร็วๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์ใช้พลาสติก PET เพื่อสร้างองค์ประกอบของดาวเคราะห์เหล่านี้ได้แม่นยำยิ่งขึ้น
Dominik Kraus นักฟิสิกส์ที่ HZDR และศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัย Rostock กล่าวว่า “PET มีความสมดุลที่ดีระหว่างคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน เพื่อจำลองกิจกรรมบนดาวเคราะห์น้ำแข็ง”
นักวิทยาศาสตร์สร้างคลื่นกระแทกใน PET โดยใช้เลเซอร์ออปติคอลกำลังสูงที่เครื่องมือ Matter in Extreme Conditions (MEC) ที่ Linac Coherent Light Source (LCLS) ของ SLAC จากนั้นพวกเขาสำรวจสิ่งที่เกิดขึ้นในพลาสติกด้วยพัลส์รังสีเอกซ์จาก LCLS
ต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้ใช้การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์เพื่อดูอะตอมของวัสดุจัดเรียงใหม่เป็นบริเวณเพชรเล็กๆ ในเวลาเดียวกัน พวกเขาใช้วิธีอื่นที่เรียกว่าการกระเจิงมุมเล็กๆ เพื่อวัดว่าบริเวณเหล่านั้นเติบโตเร็วและใหญ่แค่ไหน วิธีนี้ช่วยให้พวกเขาระบุได้ว่าบริเวณเพชรเหล่านี้เติบโตขึ้นจนมีความกว้างไม่กี่นาโนเมตร พวกเขาค้นพบว่าเพชรนาโนสามารถพัฒนาได้ที่ความดันและอุณหภูมิต่ำกว่าที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้เมื่อมีออกซิเจนอยู่ในสาร
เคราส์กล่าวว่า “ผลของออกซิเจนคือการเร่งการแตกตัวของคาร์บอนและไฮโดรเจน และกระตุ้นให้เกิดการก่อตัวของเพชรนาโน หมายความว่าอะตอมของคาร์บอนสามารถรวมตัวกันและก่อตัวได้ง่ายขึ้น เพชร".
ทีมงานยังได้ค้นพบข้อพิสูจน์ว่าน้ำเหนือไอออนอาจเกิดขึ้นได้เมื่อรวมกับเพชร ระยะของน้ำที่ระบุเมื่อเร็วๆ นี้ซึ่งมักเรียกกันว่า "น้ำแข็งสีดำร้อน" สามารถพบได้ที่ความดันและอุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ
โมเลกุลของน้ำแตกตัวภายใต้สภาวะที่รุนแรงเหล่านี้ และอะตอมของออกซิเจนจะรวมตัวกันเป็นตาข่ายคริสตัลซึ่งนิวเคลียสของไฮโดรเจนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ น้ำเหนือไอออนสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้เนื่องจากประจุไฟฟ้าบนนิวเคลียสที่ลอยอย่างอิสระเหล่านี้ ซึ่งอาจช่วยอธิบายได้ว่าทำไมดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนจึงมีสนามแม่เหล็กที่แปลกประหลาด
การค้นพบนี้อาจส่งผลกระทบต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับดาวเคราะห์ในกาแลคซีห่างไกล เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ายักษ์น้ำแข็งเป็นรูปแบบดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะของเรามากที่สุด
นักวิทยาศาสตร์และผู้ร่วมงานของ SLAC Silvia Pandolfi กล่าวว่า “เรารู้ว่าแกนโลกส่วนใหญ่ทำจากเหล็ก แต่การทดลองจำนวนมากยังคงตรวจสอบว่าการมีอยู่ของธาตุที่เบากว่าสามารถเปลี่ยนเงื่อนไขการหลอมละลายและการเปลี่ยนสถานะได้อย่างไร การทดลองของเราแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบเหล่านี้สามารถเปลี่ยนสภาวะที่เพชรก่อตัวบนยักษ์น้ำแข็งได้อย่างไร หากเราต้องการจำลองดาวเคราะห์อย่างแม่นยำ เราจำเป็นต้องเข้าใกล้องค์ประกอบที่แท้จริงของดาวเคราะห์ให้มากที่สุด ภายในของดาวเคราะห์".
การศึกษายังชี้ให้เห็นถึงเส้นทางที่เป็นไปได้ในการผลิตเพชรนาโนจากพลาสติก PET ราคาไม่แพง โดยใช้การบีบอัดแรงกระแทกด้วยเลเซอร์ ปัจจุบันอัญมณีเม็ดเล็กๆ เหล่านี้ถูกนำมาใช้เป็นสารกัดกร่อนและสารขัดเงา อย่างไรก็ตาม อาจนำไปใช้ในเซ็นเซอร์ควอนตัม สารทึบแสงทางการแพทย์ และเครื่องเร่งปฏิกิริยาพลังงานทดแทนได้ในอนาคต
นักวิทยาศาสตร์และผู้ร่วมงานของ SLAC Benjamin Ofori-Okai กล่าวว่า “วิธีการสร้างเพชรนาโนในปัจจุบันคือการนำคาร์บอนหรือเพชรจำนวนหนึ่งมาระเบิดด้วยระเบิด สิ่งนี้ทำให้เกิดเพชรนาโนขนาดและรูปร่างต่างๆ และควบคุมได้ยาก”
“สิ่งที่เราเห็นในการทดลองนี้คือปฏิกิริยาที่แตกต่างกันของสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง ในบางกรณี เพชรดูเหมือนจะก่อตัวเร็วกว่าเพชรอื่นๆ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการมีสารเคมีอื่นๆ เหล่านี้สามารถเร่งกระบวนการนี้ให้เร็วขึ้นได้ การผลิตด้วยเลเซอร์สามารถนำเสนอวิธีการผลิตเพชรนาโนที่สะอาดและควบคุมได้ง่ายขึ้น หากเราสามารถออกแบบวิธีที่จะเปลี่ยนแปลงบางสิ่งเกี่ยวกับปฏิกิริยา เราก็สามารถเปลี่ยนความรวดเร็วของพวกมันก่อตัวและขนาดที่จะใหญ่ขึ้นได้”
นักวิทยาศาสตร์กำลังวางแผนการทดลองที่คล้ายกันโดยใช้ตัวอย่างของเหลวที่ประกอบด้วยเอทานอล น้ำ และแอมโมเนีย ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำจากดาวยูเรนัสและเนปจูนเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งจะทำให้พวกเขาเข้าใกล้ความเข้าใจมากขึ้นว่าฝนเพชรก่อตัวบนดาวเคราะห์ดวงอื่นได้อย่างไร
นักวิทยาศาสตร์ SLAC และผู้ร่วมงาน Nicholas Hartley กล่าวว่า, “ความจริงที่ว่าเราสามารถสร้างสภาวะสุดขั้วเหล่านี้ขึ้นมาใหม่ได้เพื่อดูว่ากระบวนการเหล่านี้ทำงานอย่างไรในขนาดที่เล็กมากอย่างรวดเร็วนั้นเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้น การเพิ่มออกซิเจนทำให้เราเข้าใกล้มากขึ้นกว่าเดิมเพื่อดูภาพรวมของกระบวนการของดาวเคราะห์เหล่านี้ แต่ยังมีงานที่ต้องทำอีกมาก มันเป็นขั้นตอนหนึ่งในการได้รับส่วนผสมที่สมจริงที่สุดและได้เห็นว่าวัสดุเหล่านี้มีพฤติกรรมอย่างไรบนดาวเคราะห์ดวงอื่น”
การอ้างอิงวารสาร:
- จือหยู่เหอ และคณะ จลนพลศาสตร์ของการก่อตัวของเพชรในตัวอย่าง C─H─O ที่ถูกบีบอัดด้วยแรงกระแทก บันทึกโดยการกระเจิงของรังสีเอกซ์มุมเล็กและการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ วิทยาศาสตร์ก้าวหน้า. เล่มที่ 8 ฉบับที่ 35 ดอย: 10.1126/sciadv.abo0617
