نبتون راينز الماس ، والآن قد نعرف أخيرًا كيف

(مارك غارليك / مكتبة صور العلوم / غيتي إيماجز)

في أعماق قلوب نبتون وأورانوس ، يمكن أن تمطر الماس. الآن ، أنتج العلماء أدلة تجريبية جديدة توضح كيف يمكن أن يكون ذلك ممكنًا.

تذهب الفرضية إلى أن الحرارة الشديدة والضغط على بعد آلاف الكيلومترات تحت سطح عمالقة الجليد يجب أن تفصل المركبات الهيدروكربونية ، مع انضغاط الكربون إلى الماس ويغرق بشكل أعمق باتجاه نوى الكواكب.

استخدمت التجربة الجديدة ليزر الأشعة السينية Linac Coherent Light Source (LCLS) التابع لـ SLAC National Accelerator Laboratory للحصول على أدق القياسات حتى الآن لكيفية حدوث عملية `` المطر الماسي '' - ووجدت أن الكربون ينتقل مباشرة إلى الماس البلوري.

يوفر هذا البحث بيانات عن ظاهرة يصعب للغاية نمذجتها حسابيًا: 'الامتزاج' من عنصرين ، أو كيف يتحدان عند مزجهما ، ' أوضح عالم فيزياء البلازما مايك دن ، مدير LCLS ، وغير مدرج كمؤلف على الورقة.

'هنا يرون كيف ينفصل عنصران ، مثل فصل المايونيز مرة أخرى إلى الزيت والخل.'

نبتون وأورانوس هما أكثر الكواكب سوء فهم في النظام الشمسي. إنهم بعيدون بشكل يمنعهم من ذلك - فقط مسبار فضائي واحد ، فوييجر 2 ، لديه حتى كانت قريبة لهم ، وفقط من أجل رحلة طيران ، وليس مهمة مخصصة طويلة الأجل.

لكن عمالقة الجليد شائعة للغاية في مجرة ​​درب التبانة الأوسع - وفقًا لوكالة ناسا ، الكواكب الخارجية الشبيهة بنبتون أكثر انتشارًا 10 مرات من الكواكب الخارجية الشبيهة بالمشتري.

لذلك ، فإن فهم عمالقة الجليد في نظامنا الشمسي أمر حيوي لفهم الكواكب في جميع أنحاء المجرة. ولفهمهم بشكل أفضل ، نحتاج إلى معرفة ما يحدث تحت واجهاتهم الخارجية الزرقاء الهادئة.

نحن نعلم أن الغلاف الجوي لنبتون وأورانوس يتكونان أساسًا من الهيدروجين والهيليوم ، مع كمية صغيرة من الميثان. تحت هذه الطبقات الجوية ، يلتف سائل فائق الكثافة للغاية من المواد 'الجليدية' مثل الماء والميثان والأمونيا حول قلب الكوكب.

و العمليات الحسابية وقد أظهرت التجارب التي تعود إلى عقود أنه ، مع وجود ضغط ودرجة حرارة كافيين ، يكون الميثان يمكن تقسيمها إلى الماس - مما يشير إلى أن الماس يمكن أن يتشكل داخل هذه المادة الساخنة والكثيفة.

أالتجربة السابقةفي SLAC بقيادة الفيزيائي Dominik Kraus في Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf في ألمانيا ، استخدم حيود الأشعة السينية لإثبات ذلك. الآن أخذ كراوس وفريقه أبحاثهم خطوة إلى الأمام.

'لدينا الآن نهج جديد واعد للغاية يعتمد على تشتت الأشعة السينية ،' قال كراوس حول جهودهم الأخيرة. تقدم تجاربنا معلمات نموذجية مهمة حيث لم يكن لدينا من قبل سوى قدر هائل من عدم اليقين. سيصبح هذا أكثر أهمية من أي وقت مضى كلما اكتشفنا المزيد من الكواكب الخارجية.

من الصعب تكرار التصميمات الداخلية للكواكب العملاقة هنا على الأرض. أنت بحاجة إلى بعض المعدات المكثفة جدًا - هذا هو LCLS . وأنت بحاجة إلى مادة تقوم بتكرار الأشياء الموجودة داخل ذلك الكوكب العملاق. لهذا ، استخدم الفريق البوليسترين الهيدروكربوني (C8ح8) بدلاً من الميثان (CH4).

تتمثل الخطوة الأولى في تسخين المادة وضغطها لتكرار الظروف داخل نبتون على عمق حوالي 10000 كيلومتر (6214 ميل): تولد نبضات الليزر الضوئية موجات صدمة في البوليسترين ، مما يؤدي إلى تسخين المادة حتى حوالي 5000 كلفن (4727 درجة). مئوية ، أو 8.540 درجة فهرنهايت). كما أنه يخلق ضغطًا شديدًا.

'نحن ننتج حوالي 1.5 مليون بار ، أي ما يعادل الضغط الذي يمارسه وزن حوالي 250 فيلًا أفريقيًا على سطح مصغر ،' قال كراوس .

في التجربة السابقة ، تم استخدام حيود الأشعة السينية لفحص المادة بعد ذلك. يعمل هذا بشكل جيد مع المواد ذات الهياكل البلورية ، ولكن بدرجة أقل مع الجزيئات غير البلورية ، لذلك كانت الصورة غير مكتملة. في التجربة الجديدة ، استخدم الفريق طريقة مختلفة لقياس كيفية تشتت الأشعة السينية للإلكترونات في البوليسترين.

لم يسمح لهم ذلك بمراقبة تحويل الكربون إلى ألماس فحسب ، بل سمح لهم أيضًا بمراقبة ما يحدث لبقية العينة - فهو ينقسم إلى هيدروجين. ولا يوجد إلى حد كبير بقايا كربون.

في حالة عمالقة الجليد ، نعلم الآن أن الكربون يشكل الماس بشكل شبه حصري عندما ينفصل ولا يتخذ شكلاً انتقاليًا سائلاً ، قال كراوس .

هذا مهم ، لأن هناك شيئًا غريبًا حقًا حول نبتون. من الداخل أكثر سخونة مما ينبغي. في الواقع ، إنه يعطي 2.6 ضعف الطاقة مما تمتصه من الشمس.

إذا تمطر الماس - الأكثر كثافة من المواد المحيطة به - على باطن الكوكب ، فمن الممكن أن يطلق طاقة الجاذبية ، والتي يتم تحويلها إلى حرارة ناتجة عن الاحتكاك بين الماس والمواد من حوله.

تقترح هذه التجربة أنه لا يتعين علينا إيجاد تفسير بديل ... ليس بعد ، على أي حال. كما أنه يوضح طريقة يمكن أن نستخدمها 'لسبر' الأجزاء الداخلية للكواكب الأخرى في النظام الشمسي.

'ستسمح لنا هذه التقنية بقياس العمليات المثيرة للاهتمام التي يصعب إعادة إنشائها بطريقة أخرى' ، قال كراوس .

على سبيل المثال ، سنكون قادرين على رؤية كيف يتشابه الهيدروجين والهيليوم ، العناصر الموجودة في باطن عمالقة الغاز كوكب المشتري وزحل ، يمتزجان ويفصلان في ظل هذه الظروف القاسية. إنها طريقة جديدة لدراسة التاريخ التطوري للكواكب وأنظمة الكواكب ، بالإضافة إلى دعم التجارب نحو الأشكال المستقبلية المحتملة للطاقة من الاندماج.

تم نشر البحث في اتصالات الطبيعة .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.