Nel profondo dei pianeti ghiacciati ai margini del nostro sistema solare, stanno cadendo piogge di diamanti. Carbonio e idrogeno schiacciati insieme da pressioni astronomiche sotto le superfici di Urano e Nettuno formano diamanti solidi che affondano irrevocabilmente verso il nucleo.
Qui sulla Terra, gli scienziati sono stati in grado di imitare per la prima volta le condizioni di questi mondi lontani, utilizzando onde d'urto, laser ottici intensi e impulsi a raggi X per creare e osservare la formazione del diamante piovere.
I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory della Stanford University hanno preso plastica di polistirene, composta da una miscela di idrogeno e carbonio, per simulare la composizione chimica di Urano e Nettuno. Per imitare le condizioni di questi pianeti a profondità superiori a 5.000 miglia (8.000 km), il team ha utilizzato laser ottici ad alta potenza per sparare coppie di onde d'urto nel materiale.
La prima onda d'urto è più lenta e più piccola della seconda, che la supera in un punto cruciale di sovrapposizione. Durante questo momento, quando la pressione è al massimo, le molecole vengono compattate insieme, il che si traduce in strutture a diamante.
Poiché questo livello estremamente elevato di pressione è insostenibile oltre una frazione di secondo, i diamanti realizzati in laboratorio si materializzano solo in brevissimi istanti. I precedenti tentativi di crearli non erano stati in grado di osservare la formazione della struttura del diamante in tempo reale, ma i ricercatori allo SLAC ha registrato la reazione chimica utilizzando il laser a elettroni liberi a raggi X del laboratorio: il Linac Coherent Light Source (LCLS).
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"Per questo esperimento, avevamo LCLS, la sorgente di raggi X più brillante al mondo", ha affermato Siegfried Glenzer, professore di scienza dei fotoni allo SLAC e coautore dell'articolo, pubblicato su Astronomia della natura. "Hai bisogno di questi impulsi intensi e veloci di raggi X per vedere in modo inequivocabile la struttura di questi diamanti, perché si formano in laboratorio solo per un tempo così breve".
Gli impulsi della LCLS durano pochi femtosecondi (quadrilionesimi di secondo), che è abbastanza breve da registrare la creazione della pioggia di diamanti. Di conseguenza, gli scienziati hanno potuto vedere che quasi ogni atomo di carbonio nella plastica era incorporato in diamanti larghi pochi nanometri.
Quelle dimensioni potrebbero non essere buone per un anello di fidanzamento, ma gli scienziati prevedono tali condizioni su Nettuno e Urano potrebbe far crescere queste strutture in diamanti del peso di oltre un milione di carati. Credono anche che, nel corso di migliaia di anni, questi enormi diamanti affonderanno attraverso gli strati ghiacciati dei pianeti per creare uno spesso strato attorno al nucleo.
La pioggia di diamanti potrebbe avere una serie di applicazioni sia all'interno che all'esterno dell'astronomia. Sapere come gli elementi si fondono insieme sotto diverse pressioni può fornire informazioni essenziali su come gli scienziati calcolano la relazione tra la massa e il raggio di un pianeta, per esempio. Al momento è impossibile avvicinarsi a Nettuno e scrutare all'interno, quindi questi esperimenti offrono uno sguardo importante sul funzionamento interno di questi mondi lontani.
Una potenziale reazione potrebbe essere che questi diamanti in caduta generino calore mentre affondano verso il nucleo, creando una fonte di energia per il pianeta.
"L'aggregazione di materia in questi tipi di condizioni di alta pressione è una forza da non sottovalutare"
C'è anche la possibilità che questi nanodiamanti prodotti in laboratorio un giorno vengano raccolti per una varietà di scopi commerciali, dalla medicina all'elettronica. Inoltre, sapere di più su cosa succede quando la materia viene compressa a pressioni estreme è utile per la ricerca potenza di fusione. Spremere gli atomi di idrogeno per creare elio è un processo che alimenta il nostro stesso sole, e c'è spazio per gli SLAC ricerca che deve essere utilizzata dalla manciata di organizzazioni che corrono per tradurre questo in una fonte di energia controllabile per Terra.
"Le simulazioni non catturano davvero ciò che stiamo osservando in questo campo", ha osservato Glenzer. "Il nostro studio e altri forniscono la prova che l'aggregazione di materia in questi tipi di condizioni di alta pressione è una forza da non sottovalutare".
