ผลการศึกษาใหม่พบว่า “ฝนเพชร” ซึ่งเป็นการตกตะกอนแบบแปลกใหม่ที่มีสมมติฐานมายาวนานบนดาวเคราะห์ยักษ์น้ำแข็ง อาจพบได้บ่อยกว่าที่เคยคิดไว้
ในการทดลองก่อนหน้านี้ นักวิจัยเลียนแบบอุณหภูมิและความดันสุดขั้วที่ลึกลงไปในดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสน้ำแข็งยักษ์ และเป็นครั้งแรกที่ สังเกตเห็นฝนเพชรในขณะที่มันก่อตัวขึ้น
จากการตรวจสอบกระบวนการนี้ในวัสดุใหม่ที่คล้ายกับองค์ประกอบทางเคมีของดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ SLAC ของกระทรวงพลังงานและเพื่อนร่วมงานค้นพบว่าการมีอยู่ของออกซิเจนทำให้การก่อตัวของเพชรมีแนวโน้มมากขึ้น ทำให้พวกเขาก่อตัวและเติบโต ในสภาวะที่กว้างขึ้นและทั่วดาวเคราะห์ต่างๆ
การศึกษาใหม่นี้ให้ภาพที่สมบูรณ์มากขึ้นว่าฝนเพชรก่อตัวขึ้นบนดาวเคราะห์ดวงอื่นได้อย่างไร และบนโลกนี้อาจนำไปสู่วิธีใหม่ในการผลิตเพชรนาโน ซึ่งมีการใช้งานที่หลากหลายมากในการจัดส่งยา เซ็นเซอร์ทางการแพทย์ การผ่าตัดแบบไม่รุกล้ำ การผลิตที่ยั่งยืนและควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์
“เอกสารฉบับก่อนหน้านี้เป็นครั้งแรกที่เราเห็นการเกิดเพชรโดยตรงจากส่วนผสมใดๆ” Siegfried Glenzer ผู้อำนวยการแผนกความหนาแน่นพลังงานสูงของ SLAC กล่าว “ตั้งแต่นั้นมา มีการทดลองมากมายกับวัสดุบริสุทธิ์ต่างๆ แต่ภายในดาวเคราะห์ มันซับซ้อนกว่ามาก มีสารเคมีอีกมากมายผสมอยู่ ดังนั้น สิ่งที่เราต้องการหาคือผลกระทบของสารเคมีเพิ่มเติมเหล่านี้”
ทีมงานที่นำโดย Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) และ University of Rostock ในประเทศเยอรมนี รวมทั้ง École Polytechnique ของฝรั่งเศสร่วมกับ SLAC ได้เผยแพร่ผลงานในวันนี้ใน Science Advances
เริ่มด้วยพลาสติก
ในการทดลองครั้งก่อน นักวิจัยได้ศึกษาวัสดุพลาสติกที่ทำจากส่วนผสมของไฮโดรเจนและคาร์บอน ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญขององค์ประกอบทางเคมีโดยรวมของดาวเนปจูนและดาวยูเรนัส แต่นอกเหนือจากคาร์บอนและไฮโดรเจนแล้ว ยักษ์น้ำแข็งยังมีองค์ประกอบอื่นๆ เช่น ออกซิเจนจำนวนมาก
ในการทดลองเมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยได้ใช้พลาสติก PET ซึ่งมักใช้ในบรรจุภัณฑ์อาหาร ขวดพลาสติก และภาชนะบรรจุ เพื่อสร้างองค์ประกอบของดาวเคราะห์เหล่านี้ให้แม่นยำยิ่งขึ้น
Dominik Kraus นักฟิสิกส์จาก HZDR และศาสตราจารย์แห่ง University of Rostock กล่าวว่า “PET มีความสมดุลที่ดีระหว่างคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจนในการจำลองกิจกรรมในดาวเคราะห์น้ำแข็ง
ออกซิเจนเป็นเพื่อนที่ดีที่สุดของเพชร
นักวิจัยได้ใช้เลเซอร์ออปติคัลกำลังสูงที่เครื่องมือ Matter in Extreme Conditions (MEC) ที่ แหล่งกำเนิดแสง Linac Coherent Light Source (LCLS) ของ SLAC เพื่อสร้างคลื่นกระแทกใน PET จากนั้นจึงตรวจสอบสิ่งที่เกิดขึ้นในพลาสติกด้วยพัลส์เอ็กซ์เรย์จาก LCLS
โดยใช้วิธีการที่เรียกว่าการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ พวกเขาดูอะตอมของวัสดุที่จัดเรียงใหม่เป็นบริเวณเพชรขนาดเล็ก พวกเขาใช้วิธีการอื่นที่เรียกว่าการกระเจิงแบบมุมเล็กพร้อมกัน ซึ่งยังไม่เคยใช้ในเอกสารฉบับแรก เพื่อวัดว่าบริเวณเหล่านั้นเติบโตเร็วและใหญ่เพียงใด เมื่อใช้วิธีการเพิ่มเติมนี้ พวกเขาสามารถระบุได้ว่าบริเวณเพชรเหล่านี้เติบโตได้กว้างไม่กี่นาโนเมตร พวกเขาพบว่าด้วยการมีอยู่ของออกซิเจนในวัสดุ นาโนไดมอนด์สามารถเติบโตได้ภายใต้แรงกดดันและอุณหภูมิที่ต่ำกว่าที่สังเกตได้ก่อนหน้านี้
“ผลของออกซิเจนคือการเร่งการแยกตัวของคาร์บอนและไฮโดรเจนและกระตุ้นการก่อตัวของนาโนไดมอนด์” Kraus กล่าว “หมายความว่าอะตอมของคาร์บอนสามารถรวมตัวได้ง่ายขึ้นและก่อตัวเป็นเพชร”
ดาวเคราะห์น้ำแข็ง
นักวิจัยคาดการณ์ว่าเพชรบนดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสจะมีขนาดใหญ่กว่าเพชรนาโนที่ผลิตขึ้นในการทดลองเหล่านี้ ซึ่งอาจมีน้ำหนักหลายล้านกะรัต เมื่อเวลาผ่านไปหลายพันปี เพชรอาจค่อยๆ จมลงสู่ชั้นน้ำแข็งของดาวเคราะห์ และรวมตัวกันเป็นชั้นหนาๆ ที่แวววาวรอบๆ แกนของดาวเคราะห์ที่เป็นของแข็ง
ทีมงานยังพบหลักฐานว่าเมื่อรวมกับเพชรแล้ว น้ำที่เหนือไอออนก็อาจเกิดขึ้นได้เช่นกัน เฟสของน้ำที่เพิ่งค้นพบนี้ ซึ่งมักถูกอธิบายว่าเป็น “น้ำแข็งสีดำที่ร้อนจัด” มีอยู่ที่อุณหภูมิและความดันสูงมาก ในสภาวะที่รุนแรงเหล่านี้ โมเลกุลของน้ำจะแตกตัวและอะตอมของออกซิเจนจะก่อตัวเป็นโครงผลึกซึ่งนิวเคลียสของไฮโดรเจนจะลอยไปมาอย่างอิสระ เนื่องจากนิวเคลียสที่ลอยอิสระเหล่านี้มีประจุไฟฟ้า น้ำเหนือไอออนจึงสามารถนำกระแสไฟฟ้าและสามารถอธิบายสนามแม่เหล็กที่ผิดปกติบนดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนได้
การค้นพบนี้อาจส่งผลต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับดาวเคราะห์ในดาราจักรที่อยู่ห่างไกลออกไป เนื่องจากตอนนี้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ายักษ์น้ำแข็งเป็นรูปแบบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะของเราที่พบได้บ่อยที่สุด
Silvia Pandolfi นักวิทยาศาสตร์และผู้ทำงานร่วมกันของ SLAC กล่าวว่า “เรารู้ว่าแกนโลกส่วนใหญ่ทำจากเหล็ก แต่การทดลองจำนวนมากยังคงตรวจสอบว่าองค์ประกอบที่เบากว่าสามารถเปลี่ยนแปลงสภาวะของการหลอมเหลวและการเปลี่ยนเฟสได้อย่างไร “การทดลองของเราแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบเหล่านี้สามารถเปลี่ยนสภาวะที่เพชรก่อตัวบนยักษ์น้ำแข็งได้อย่างไร หากเราต้องการสร้างแบบจำลองดาวเคราะห์อย่างแม่นยำ เราต้องเข้าใกล้องค์ประกอบที่แท้จริงของภายในดาวเคราะห์ให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้”
เพชรในความหยาบ
การวิจัยยังชี้ให้เห็นถึงแนวทางที่เป็นไปได้ในการผลิตนาโนไดมอนด์ด้วยการบีบอัดแรงกระแทกด้วยเลเซอร์ของพลาสติก PET ราคาถูก แม้ว่าจะรวมอยู่ในสารกัดกร่อนและสารขัดเงาแล้ว แต่ในอนาคตอัญมณีเล็กๆ เหล่านี้อาจใช้สำหรับเซ็นเซอร์ควอนตัม สารตัดกันทางการแพทย์ และเครื่องเร่งปฏิกิริยาสำหรับพลังงานหมุนเวียน
Benjamin Ofori-Okai นักวิทยาศาสตร์และผู้ร่วมงานของ SLAC กล่าวว่า “วิธีการผลิต nanodiamond ในปัจจุบันคือการนำคาร์บอนหรือเพชรจำนวนหนึ่งมาเป่าด้วยระเบิด “สิ่งนี้ทำให้เกิดนาโนไดมอนด์ที่มีขนาดและรูปร่างต่าง ๆ และควบคุมได้ยาก สิ่งที่เราเห็นในการทดลองนี้คือปฏิกิริยาที่ต่างกันของสปีชีส์เดียวกันภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง ในบางกรณี เพชรดูเหมือนจะก่อตัวได้เร็วกว่าเพชรอื่นๆ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการมีสารเคมีอื่นๆ เหล่านี้สามารถเร่งกระบวนการนี้ได้ การผลิตด้วยเลเซอร์สามารถเสนอวิธีการที่สะอาดกว่าและควบคุมได้ง่ายกว่าในการผลิตนาโนไดมอนด์ หากเราสามารถออกแบบวิธีเปลี่ยนแปลงบางอย่างเกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาได้ เราก็สามารถเปลี่ยนความเร็วของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้ และด้วยเหตุนี้จึงเกิดปฏิกิริยาขนาดใหญ่ขึ้น”
ต่อไป นักวิจัยกำลังวางแผนการทดลองที่คล้ายกันโดยใช้ตัวอย่างของเหลวที่ประกอบด้วยเอธานอล น้ำ และแอมโมเนีย ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยดาวยูเรนัสและเนปจูน ซึ่งจะทำให้พวกเขาเข้าใจมากขึ้นว่าฝนเพชรก่อตัวอย่างไรบนดาวเคราะห์ดวงอื่น
Nicholas Hartley นักวิทยาศาสตร์และผู้ทำงานร่วมกันของ SLAC กล่าวว่า “ความจริงที่ว่าเราสามารถสร้างสภาวะสุดขั้วเหล่านี้ขึ้นมาใหม่เพื่อดูว่ากระบวนการเหล่านี้ทำงานอย่างไรบนเครื่องชั่งขนาดเล็กและรวดเร็วที่รวดเร็วมาก “การเติมออกซิเจนทำให้เราใกล้ชิดยิ่งขึ้นกว่าเดิมในการเห็นภาพกระบวนการของดาวเคราะห์เหล่านี้ทั้งหมด แต่ก็ยังมีงานอีกมากที่ต้องทำ เป็นอีกก้าวหนึ่งในการหาส่วนผสมที่สมจริงที่สุด และเห็นว่าวัสดุเหล่านี้มีพฤติกรรมอย่างไรบนดาวเคราะห์ดวงอื่นอย่างแท้จริง”
การวิจัยได้รับการสนับสนุนโดยสำนักงานวิทยาศาสตร์ของ DOE และ National Nuclear Security Administration LCLS เป็นสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้ DOE Office of Science
บางส่วนของบทความนี้ดัดแปลงมาจากข่าวประชาสัมพันธ์ที่เขียนโดย Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
