巨型冰冷行星上的钻石雨可能比以前认为的更常见

一项新的研究发现，“钻石雨”，一种长期假设的冰巨行星上的奇异降水类型，可能比以前想象的更常见。

在早期的实验中，研究人员模仿了在冰巨星海王星和天王星深处发现的极端温度和压力，并首次观察到钻石雨的形成。

在一种更接近海王星和天王星化学组成的新材料中研究这一过程时，来自能源部SLAC国家加速器实验室的科学家及其同事发现，氧气的存在使钻石更容易形成，使它们能够在更广泛的条件下形成和生长，并在更多的行星上生长。

这项新研究提供了钻石雨如何在其他行星上形成的更完整的画面，在地球上，这可能导致一种制造纳米金刚石的新方法，纳米金刚石在药物输送，医疗传感器，无创手术，可持续制造和量子电子学方面具有非常广泛的应用。

“早期的论文是我们第一次直接看到钻石从任何混合物中形成，”SLAC高能量密度部门主任齐格弗里德·格伦泽(Siegfried Glenzer)说。“从那时起，对不同的纯材料进行了大量的实验。但是在行星内部，它要复杂得多。混合物中有更多的化学物质。所以，我们想弄清楚的是这些额外的化学物质会产生什么样的影响。

该团队由亥姆霍兹中心德累斯顿-罗森多夫分校(HZDR)和德国罗斯托克大学以及法国巴黎综合理工学院与SLAC合作领导，今天在《科学进展》上发表了研究结果。

从塑料开始

在之前的实验中，研究人员研究了一种由氢和碳混合物制成的塑料材料，氢和碳是海王星和天王星整体化学成分的关键成分。但除了碳和氢之外，冰巨人还含有其他元素，例如大量的氧气。

在最近的实验中，研究人员使用PET塑料 - 通常用于食品包装，塑料瓶和容器 - 来更准确地再现这些行星的组成。

“PET在碳，氢和氧之间具有良好的平衡，以模拟冰行星中的活动，”HZDR的物理学家，罗斯托克大学教授多米尼克克劳斯说。

氧气是钻石最好的朋友

研究人员在SLAC直线加速器相干光源(LCLS)的物质极端条件下的物质(MEC)仪器上使用高功率光学激光器在PET中产生冲击波。然后，他们用LCLS的X射线脉冲探测塑料中发生了什么。

使用一种称为X射线衍射的方法，他们观察材料的原子重新排列成小的金刚石区域。他们同时使用另一种称为小角度散射的方法，这种方法在第一篇论文中没有使用，以测量这些区域的增长速度和大小。使用这种额外的方法，他们能够确定这些钻石区域长到几纳米宽。他们发现，由于材料中存在氧气，纳米金刚石能够在比以前观察到的更低的压力和温度下生长。

“氧气的作用是加速碳和氢的分裂，从而促进纳米金刚石的形成，”克劳斯说。“这意味着碳原子可以更容易地结合并形成钻石。

冰冻的行星

研究人员预测，海王星和天王星上的钻石将变得比这些实验中产生的纳米钻石大得多 - 可能重达数百万克拉。数千年来，钻石可能会慢慢穿过行星的冰层，并在固体行星核心周围组装成一层厚厚的金光闪闪。

该团队还发现证据表明，与钻石结合使用时，超离子水也可能形成。这个最近发现的水相，通常被描述为“热的黑冰”，存在于极高的温度和压力下。在这些极端条件下，水分子破裂，氧原子形成晶格，氢原子自由漂浮在其中。由于这些自由漂浮的原子核是带电的，超离子水可以传导电流，并且可以解释天王星和海王星上不寻常的磁场。

这些发现也可能影响我们对遥远星系中行星的理解，因为科学家现在认为冰巨人是我们太阳系外最常见的行星形式。

“我们知道地球的核心主要由铁制成，但许多实验仍在研究较轻元素的存在如何改变熔化和相变的条件，”SLAC科学家和合作者Silvia Pandolfi说。“我们的实验展示了这些元素如何改变钻石在冰巨人身上形成的条件。如果我们想准确地模拟行星，那么我们需要尽可能接近行星内部的实际组成。

原石中的钻石

该研究还表明，通过激光驱动的冲击压缩廉价PET塑料来生产纳米金刚石的潜在途径。虽然已经包含在磨料和抛光剂中，但在未来，这些微小的宝石可能潜在地用于量子传感器、医用造影剂和可再生能源的反应加速器。

“纳米金刚石目前的制造方式是取一堆碳或钻石并用炸药炸毁它，”SLAC科学家和合作者本杰明·奥福里-奥凯说。“这会产生各种尺寸和形状的纳米金刚石，并且难以控制。我们在这个实验中看到的是同一物种在高温和高压下的不同反应性。在某些情况下，钻石的形成速度似乎比其他钻石快，这表明这些其他化学物质的存在可以加速这一过程。激光生产可以提供一种更清洁，更容易控制的方法来生产纳米金刚石。如果我们能设计出改变反应性方面一些事情的方法，我们就可以改变它们形成的速度，从而改变它们变得多大。

接下来，研究人员正在计划使用含有乙醇，水和氨的液体样品进行类似的实验 - 天王星和海王星主要由这些液体样品组成 - 这将使他们更接近于准确了解钻石雨如何在其他行星上形成。

“我们可以重现这些极端条件，看看这些过程如何在非常快速，非常小的规模上发挥作用，这一事实令人兴奋，”SLAC科学家和合作者尼古拉斯哈特利说。“增加氧气使我们比以往任何时候都更接近看到这些行星过程的全貌，但还有更多的工作要做。这是朝着获得最真实的混合物并看到这些材料在其他行星上的真实表现迈进的一步。

该研究得到了能源部科学办公室和国家核安全管理局的支持。LCLS是能源部科学办公室的用户设施。

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