Em um experimento projetado para imitar as condições no interior dos planetas gigantes gelados de nosso sistema solar, os cientistas foram capazes de observar a "chuva de diamantes" pela primeira vez enquanto ela se formava em condições de alta pressão. A pressão extremamente alta comprime o hidrogênio e o carbono encontrados no interior desses planetas para formar diamantes sólidos que afundam lentamente no interior.

Há muito se supõe que a precipitação cintilante surja em mais de 5, 000 milhas abaixo da superfície de Urano e Netuno, criado a partir de misturas comumente encontradas apenas de hidrogênio e carbono. Os interiores desses planetas são semelhantes - ambos contêm núcleos sólidos rodeados por uma densa lama de gelo diferente. Com os planetas gelados em nosso sistema solar, "gelo" se refere a moléculas de hidrogênio conectadas a elementos mais leves, como carbono, oxigênio e / ou nitrogênio.

Os pesquisadores simularam o ambiente encontrado dentro desses planetas, criando ondas de choque em plástico com um laser óptico intenso no instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) no SLAC National Accelerator Laboratory's laser de elétrons livres de raios-X, a fonte de luz coerente Linac (LCLS).

No experimento, eles foram capazes de ver que quase todos os átomos de carbono do plástico original foram incorporados a pequenas estruturas de diamante de até alguns nanômetros de largura. Em Urano e Netuno, os autores do estudo prevêem que os diamantes se tornariam muito maiores, talvez milhões de quilates de peso. Os pesquisadores também acham que é possível que, ao longo de milhares de anos, os diamantes afundam lentamente através das camadas de gelo dos planetas e se agrupam em uma camada espessa ao redor do núcleo.

A pesquisa foi publicada em Astronomia da Natureza em 21 de agosto.

"Anteriormente, os pesquisadores só podiam presumir que os diamantes haviam se formado, "disse Dominik Kraus, cientista da Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf e principal autor da publicação. "Quando vi os resultados desta última experiência, foi um dos melhores momentos da minha carreira científica. "

Experimentos anteriores que tentaram recriar a chuva de diamantes em condições semelhantes não foram capazes de capturar medições em tempo real, devido ao fato de que atualmente podemos criar essas condições extremas sob as quais minúsculos diamantes se formam apenas por um tempo muito breve no laboratório. Os lasers ópticos de alta energia no MEC combinados com os pulsos de raios-X do LCLS - que duram apenas femtossegundos, ou quatrilionésimos de segundo - permitiu aos cientistas medir diretamente a reação química.

Outros experimentos anteriores também viram indícios de carbono formando grafite ou diamante em pressões mais baixas do que os criados neste experimento, mas com outros materiais introduzidos e alterando as reações.

Os resultados apresentados neste experimento são a primeira observação inequívoca da formação de diamantes de alta pressão a partir de misturas e concordam com as previsões teóricas sobre as condições em que tal precipitação pode se formar e fornecerá aos cientistas melhores informações para descrever e classificar outros mundos.

Transformando plástico em diamante

No experimento, o plástico simula compostos formados a partir do metano - uma molécula com apenas um carbono ligado a quatro átomos de hidrogênio que causa o distinto elenco azul de Netuno.

A equipe estudou um material plástico, poliestireno, que é feito de uma mistura de hidrogênio e carbono, componentes-chave da composição química geral desses planetas.

Nas camadas intermediárias de planetas gigantes gelados, o metano forma cadeias de hidrocarbonetos (hidrogênio e carbono) que, por muito tempo, supostamente respondiam à alta pressão e temperatura em camadas mais profundas, formavam a precipitação cintilante.

Os pesquisadores usaram laser óptico de alta potência para criar pares de ondas de choque no plástico com a combinação correta de temperatura e pressão. O primeiro choque é menor e mais lento e superado pelo segundo choque mais forte. Quando as ondas de choque se sobrepõem, esse é o momento em que a pressão atinge o pico e quando a maioria dos diamantes se forma, Kraus disse.

Durante esses momentos, a equipe investigou a reação com pulsos de raios-X do LCLS que duram apenas 50 femtossegundos. Isso permitiu que eles vissem os pequenos diamantes que se formam em frações de segundo com uma técnica chamada difração de raios-X de femtossegundo. Os instantâneos de raios-X fornecem informações sobre o tamanho dos diamantes e os detalhes da reação química conforme ela ocorre.

"Para esta experiência, tivemos LCLS, a fonte de raios-X mais brilhante do mundo, "disse Siegfried Glenzer, professor de ciência do fóton no SLAC e co-autor do artigo. "Você precisa desses intensos, pulsos rápidos de raios-X para ver inequivocamente a estrutura desses diamantes, porque eles só são formados em laboratório por um período muito curto. "

Nanodiamonds at Work

Quando os astrônomos observam exoplanetas fora de nosso sistema solar, eles são capazes de medir duas características primárias - a massa, que é medido pela oscilação das estrelas, e raio, observada da sombra quando o planeta passa na frente de uma estrela. A relação entre os dois é usada para classificar um planeta e ajudar a determinar se ele pode ser composto de elementos mais pesados ​​ou mais leves.

"Com planetas, a relação entre massa e raio pode dizer aos cientistas muito sobre a química, "Kraus disse." E a química que acontece no interior pode fornecer informações adicionais sobre algumas das características definidoras do planeta. "

Informações de estudos como este sobre como os elementos se misturam e se agrupam sob pressão no interior de um determinado planeta podem mudar a maneira como os cientistas calculam a relação entre massa e raio, permitindo aos cientistas modelar e classificar melhor os planetas individuais. A queda da "chuva de diamantes" também pode ser uma fonte adicional de energia, gerando calor enquanto afunda em direção ao núcleo.

"Não podemos entrar nos planetas e olhar para eles, então, esses experimentos de laboratório complementam as observações de satélite e telescópio, "Kraus disse.

Os pesquisadores também planejam aplicar os mesmos métodos para observar outros processos que ocorrem no interior dos planetas.

Além dos insights que eles fornecem sobre a ciência planetária, nanodiamantes feitos na Terra podem ser potencialmente colhidos para fins comerciais - usos que abrangem a medicina, equipamentos científicos e eletrônicos. Atualmente, os nanodiamantes são produzidos comercialmente a partir de explosivos; a produção a laser pode oferecer um método mais limpo e mais fácil de controlar.

Pesquisa que comprime a matéria, como este estudo, também ajuda os cientistas a entender e melhorar os experimentos de fusão onde as formas de hidrogênio se combinam para formar o hélio para gerar grandes quantidades de energia. Este é o processo que abastece o Sol e outras estrelas, mas ainda não foi realizado de forma controlada para as usinas de energia na Terra.

Em alguns experimentos de fusão, um combustível de duas formas diferentes de hidrogênio é envolto por uma camada de plástico que atinge condições semelhantes às do interior dos planetas durante um estágio de compressão de curta duração. O experimento LCLS em plástico agora sugere que a química pode desempenhar um papel importante neste estágio.

"As simulações realmente não capturam o que estamos observando neste campo, "Glenzer disse." Nosso estudo e outros fornecem evidências de que a aglomeração de matéria nesses tipos de condições de alta pressão é uma força a ser considerada. "