"Diamanten zijn voor altijd", is een veel voorkomend gezegde dat verwijst naar de extreme waarde van diamanten, die tot de zeldzaamste stoffen behoren die van nature op aarde te vinden zijn. Diamanten zijn ook een van de meest gewaardeerde stoffen op aarde, deels vanwege het zeldzame voorkomen ervan en deels vanwege de vele toepassingen die het mineraal heeft. Omdat het de moeilijkst van nature voorkomende stof op aarde is, zijn de diamanten een cruciaal onderdeel bij de vervaardiging van boorobjecten. Gezien de hoge waarde die diamanten hebben, is het bijna ondenkbaar dat op Uranus en Neptunus, diamanten helemaal niet zeldzaam zijn omdat ze uit de wolken regenen. Hoewel een dergelijk scenario klinkt als een script uit een sciencefictionfilm, hebben wetenschappers bevestigd dat diamanten inderdaad uit de lucht vallen op de twee planeten. Een recent rapport gepubliceerd in de Nature Astrophysics stelde dat onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory in staat waren microscopische diamanten te vormen uit een stuk plastic, na het opnieuw creëren van de extreme omstandigheden in de mantel van de twee ijsreuzen.
Het Experiment
Hoewel de vreemde (of ontzagwekkende) aard van de ruimte al vele jaren bestudeerd is, heeft de theorie van het laten regenen van diamanten op Neptunus en Uranus gepolariseerd onder astrofysici, waarbij sommige wetenschappers de theorie in diskrediet brachten. De voorstanders van de theorie hebben geen overtuigende feiten opgeleverd. Alle experimenten die werden uitgevoerd om de theorie te ondersteunen, leverden niet de vereiste resultaten op, aangezien onderzoekers niet in staat waren om de extreme omstandigheden in de mantels van Uranus en Neptunus na te bootsen die nodig waren voor de vorming van diamanten, waarbij temperaturen 5000 kelvin bereikten terwijl de druk werd overschreden 700 gigapascals. Dat was tot voor kort toen onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory in staat waren om de extreme drukken en temperaturen van de ijsreuzen te repliceren met behulp van een krachtige optische laser, evenals een röntgenvrije elektronenlaser om röntgenpulsen te verzenden bij ultrasnelle snelheden door een vorm van plastic, polystyreen. Polystyreen is een koolwaterstof die bestaat uit waterstof en koolstofatomen en heeft een structuur die sterk lijkt op die van het methaangas dat aanwezig is in de gigantische ijsplaneten. De onderzoekers waren verheugd om microscopische diamanten te zien ontstaan na het verzenden van de eerste en tweede röntgenstralen schokgolf door het polystyreen. De onderzoekers gebruikten een Linac Coherent Light Source om ultrasnelle röntgenpulsen uit te zenden die minder dan een nanoseconde duren (ze duren een femtoseconde) en waren van cruciaal belang bij het vastleggen van het proces dat plaatsvindt in een even korte duur. De studie werd later gepubliceerd in een editie van het Nature Astrophysics-tijdschrift en stuurde de astrofysici wereld in een waanzin.
Voorwaarden op Uranus en Neptunus
Uranus en Neptunus worden beide geclassificeerd als ijsreuzen en geen gasreuzen zoals ze oorspronkelijk werden gedacht. De twee planeten zijn de enige twee ijsreuzen in het zonnestelsel en daarom redelijk vergelijkbaar qua grootte, uiterlijk en samenstelling. Uranus is de op twee na grootste planeet in het zonnestelsel terwijl Neptunus de op drie na grootste planeet van het zonnestelsel is. Omdat ze voornamelijk uit gassen bestaan, behoren de twee planeten ook tot de minst dichte planeten in het zonnestelsel. De twee planeten hebben een blauw uiterlijk, waarbij Neptunus een donkerdere tint blauw heeft dan Uranus. De sferen van de twee planeten zijn extreem dik; het uitbreiden van 17.2-mijlen op Uranus en 12.2-mijlen op Neptunus, en zijn beide qua samenstelling vergelijkbaar; samengesteld uit waterstof, methaan en heliumgassen. De mantels op beide ijsreuzen bestaan uit ijs, waaronder methaan, water en ammoniak. De condities op de twee planeten liggen in de extremen en nemen toe in intensiteit die dichter bij de kernen ligt. In Neptunus wordt gedacht dat de atmosferische druk onder de onderste wolken maar liefst tien gigapascal is en neemt toe tot ongeveer 700 gigapascals in de kern van de planeet met temperaturen zo hoog als 5,400 K.
De druk in de kern van Uranus wordt geschat op evenveel als 800 gigapascals, terwijl de temperaturen net zo hoog zijn als 5,000 K. Wetenschappers geloven dat de condities op de mantel van de twee planeten ideaal zijn voor de afbraak van methaan, waarbij waterstofatomen worden gescheiden van koolstof atomen en uiteindelijk de vorming van diamanten die naar de kernen van de planeten regenen.
Eerste studies
Het bestaan van diamanten in de gigantische ijsplaneten van het zonnestelsel werd voor het eerst gesuggereerd door Marvin Ross, een beroemde geleerde die in 1981 een paper schreef met de titel: "De ijslaag in Uranus en Neptune-diamanten in de lucht?" In het boek, hij verklaarde dat het interieur van de twee ijsreuzen bestond uit immense hoeveelheden diamanten. Marvin Ross voerde aan dat de immense atmosferische druk in het binnenste van de planeten, gecombineerd met extreme temperaturen, koolstofatomen vrijmaakte van waterstofatomen, wat leidde tot de vorming van diamanten. Marvin baseerde zijn argument op een experiment waarbij het methaangas betrokken was in een compressieprocedure met schokgolven. Andere latere experimenten uitgevoerd door andere gerenommeerde wetenschappers zoals Sandro Scandolo bevestigden dat onder grote druk methaangas kan worden omgezet in koolwaterstoffen, met een ingestelde druk van ten minste 300 gigapascals. Wetenschappers van de University of California Berkeley, die een aambeeldcel van diamant gebruikten, konden het resultaat bereiken bij temperaturen van 2500-kelvins en drukken van 50 gigapascals.
Deze extreme temperaturen en druk zijn gelijk aan de omstandigheden onder de wolken in Neptunus. Wetenschappers van het Geofysisch Laboratorium voerden een ander experiment uit waarbij ze in staat waren de chemische samenstelling van methaan te destabiliseren bij temperaturen van 2000 kelvins en een druk van 7 gigapascals. Alle experimenten hebben echter niet geleid tot de vorming van diamanten, omdat de bestaande technologie de niveaus van druk en temperaturen heeft beperkt, waardoor wetenschappers de omstandigheden aan de binnenkant van de twee ijsreuzenplaneten niet konden reproduceren. Sommige wetenschappers stonden echter sceptisch tegenover de theorie die beweerde dat er diamanten in Uranus en Neptunus waren, en verklaarden dat de aanwezigheid van waterstof en water dat met methaangas in de atmosfeer van de planeten werd gemengd de chemische reacties in gevaar zou brengen. Anderen verklaarden dat de concentratie van koolstof in twee ijsreuzen niet hoog genoeg was om de vorming van diamanten mogelijk te maken, ongeacht de hoeveelheid druk of temperatuur die op de gassen wordt uitgeoefend.
