巨大な氷の惑星における「ダイヤモンドの雨」は、これまで考えられていたよりも一般的である可能性がある

SLAC の研究者は、酸素がこの異常な降水量を増加させることを発見し、地球上でナノダイヤモンドを製造するための新しい道を明らかにしました。

アリ・サンダーミアー著

新しい研究により、氷の巨大惑星上で長い間仮説が立てられてきたエキゾチックなタイプの降水である「ダイヤモンドレイン」が、これまで考えられていたよりも一般的である可能性があることが判明した。

以前の実験では、研究者らは氷の巨人海王星と天王星の深部で発見された極端な温度と圧力を再現し、ダイヤモンドの雨が形成される様子を初めて観察した。

エネルギー省SLAC国立加速器研究所の科学者らは、海王星と天王星の化学組成によりよく似た新物質でこのプロセスを調査し、酸素の存在によりダイヤモンドの形成がより起こりやすくなり、ダイヤモンドの形成と成長が可能になることを発見した。より広範囲の条件で、より多くの惑星にわたって。

新しい研究は、他の惑星でダイヤモンドの雨がどのように形成されるかについてのより完全な全体像を提供し、ここ地球でもナノダイヤモンドを製造する新しい方法につながる可能性があります。ナノダイヤモンドは、薬物送達、医療センサー、非侵襲的手術、持続可能な製造と量子エレクトロニクス。

「以前の論文は、混合物からのダイヤモンド形成を直接観察した初めての論文でした」と SLAC の高エネルギー密度部門ディレクター、ジークフリード・グレンツァーは述べました。 「それ以来、さまざまな純粋な物質を使ったかなり多くの実験が行われてきました。しかし、惑星の内部では、それははるかに複雑です。より多くの化学物質が混合されています。そこで、私たちがここで解明したかったのは、どのような種類の物質なのかということでした。」これらの追加の化学物質が及ぼす影響。」

ドレスデン・ロッセンドルフ・ヘルムホルツツェントルム（HZDR）とドイツのロストック大学、そしてSLACと協力したフランスのエコール・ポリテクニックが率いるチームは、本日その結果をScience Advancesに発表した。

前回の実験では、研究者らは、海王星と天王星の全体的な化学組成の重要な成分である水素と炭素の混合物から作られたプラスチック材料を研究した。 しかし、巨大氷には炭素と水素に加えて、大量の酸素などの他の元素も含まれています。

最近の実験では、研究者らはこれらの惑星の組成をより正確に再現するために、食品包装、ペットボトル、容器によく使用されるPETプラスチックを使用した。

HZDRの物理学者でロストック大学教授のドミニク・クラウス氏は、「PETは炭素、水素、酸素のバランスが良く、氷の惑星の活動をシミュレーションできる」と述べた。

研究者らは、SLAC の線形加速器コヒーレント光源 (LCLS) のマター・イン・エクストリーム・コンディションズ (MEC) 装置で高出力光学レーザーを使用して、PET 内に衝撃波を生成しました。 次に、LCLS からの X 線パルスを使用して、プラスチック内で何が起こっているかを調査しました。

彼らは、X 線回折と呼ばれる方法を使用して、材料の原子が小さなダイヤモンド領域に再配列されるのを観察しました。 彼らは、最初の論文では使用されていなかった小角散乱と呼ばれる別の方法を同時に使用して、これらの領域がどれだけ速く、大きく成長するかを測定しました。 この追加の方法を使用して、これらのダイヤモンド領域が数ナノメートルの幅まで成長したことを確認できました。 彼らは、材料中に酸素が存在すると、これまでに観察されたよりも低い圧力と温度でナノダイヤモンドが成長できることを発見した。

「酸素の効果は、炭素と水素の分解を促進し、ナノダイヤモンドの形成を促進することでした」とクラウス氏は述べた。 「それは、炭素原子がより容易に結合してダイヤモンドを形成できることを意味しました。」

研究者らは、海王星と天王星のダイヤモンドは、これらの実験で生成されたナノダイヤモンドよりもはるかに大きくなり、おそらく重量が数百万カラットになるだろうと予測しています。 何千年もかけて、ダイヤモンドは惑星の氷層をゆっくりと沈み、固体の惑星核の周りにキラキラとした厚い層を形成する可能性があります。

研究チームはまた、ダイヤモンドと組み合わせると超イオン水も形成される可能性があるという証拠も発見した。 最近発見されたこの水の相は、しばしば「熱い黒い氷」と形容され、非常に高い温度と圧力で存在します。 このような極端な条件では、水分子はばらばらになり、酸素原子が結晶格子を形成し、その中で水素原子核が自由に浮遊します。 これらの自由浮遊原子核は帯電しているため、超イオン水は電流を流すことができ、天王星と海王星の異常な磁場を説明できる可能性があります。

科学者たちは現在、氷の巨人が太陽系外の惑星の最も一般的な形態であると信じているため、この発見は、遠方の銀河にある惑星についての私たちの理解にも影響を与える可能性があります。

SLACの科学者で共同研究者のシルビア・パンドルフィ氏は、「地球の核が主に鉄でできていることはわかっているが、より軽い元素の存在によって融解や相転移の条件がどのように変化するのか、多くの実験がまだ研究中である」と述べた。 「私たちの実験は、これらの元素が氷の巨人上でダイヤモンドが形成される条件をどのように変えることができるかを示しています。惑星を正確にモデル化したい場合は、惑星内部の実際の組成にできる限り近づける必要があります。」

この研究はまた、安価なPETプラスチックのレーザー駆動による衝撃圧縮によってナノダイヤモンドを製造するための潜在的な道筋も示している。 これらの小さな宝石はすでに研磨剤や研磨剤に含まれていますが、将来的には量子センサー、医療用造影剤、再生可能エネルギーの反応促進剤に使用される可能性があります。

SLACの科学者で共同研究者のベンジャミン・オフォリ・オカイ氏は、「ナノダイヤモンドの現在の製造方法は、大量の炭素またはダイヤモンドを爆発物で爆破することによって作られている」と述べた。 「これにより、さまざまなサイズや形状のナノダイヤモンドが生成され、制御が困難です。この実験で我々が見ているのは、高温高圧下での同じ種の異なる反応性です。場合によっては、ダイヤモンドが他のものよりも速く形成されているように見えます」これは、これらの他の化学物質の存在がこのプロセスを加速する可能性があることを示唆しています。レーザー製造は、ナノダイヤモンドを製造するためのクリーンでより簡単に制御された方法を提供する可能性があります。反応性に関するいくつかのことを変更する方法を設計できれば、その反応速度を変えることができます。形状とそれによってどれだけ大きくなるかです。」

次に研究者らは、エタノール、水、アンモニア（天王星と海王星の主な成分）を含む液体サンプルを使った同様の実験を計画している。これにより、他の惑星でダイヤモンドの雨がどのように形成されるのか、正確な理解にさらに近づくことになるだろう。

SLACの科学者で共同研究者のニコラス・ハートリー氏は、「これらの極限状態を再現して、これらのプロセスが非常に高速かつ非常に小規模なスケールでどのように展開するかを確認できるという事実は、非常に興味深い」と語った。 「酸素を加えることで、これらの惑星プロセスの全体像を知ることにこれまで以上に近づきますが、やるべきことはまだあります。これは、最も現実的な混合物を入手し、これらの物質が他の惑星で実際にどのように動作するかを確認するための一歩です。 」

この研究はDOE科学局と国家核安全保障局の支援を受けた。 LCLS は DOE Science Office のユーザー施設です。

この記事の一部は、ヘルムホルツ・ツェントルム・ドレスデン・ロッセンドルフによって書かれたプレスリリースから改変されたものです。

引用：Zhiyu He 他、Science Advances、2022 年 9 月 2 日 (10.1126/sciadv.abo0617)

プレスオフィスの連絡先:マヌエル・グニダ、[email protected]

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