天王星で発見された「ダイヤモンドの雨」が地球上で再現 – 増大するエネルギー危機の解決に役立つ可能性がある

私たちの太陽系の端にある氷の惑星の奥深くに、ダイヤモンドの雨が降り続いています。天王星と海王星の表面の下で天文学的な圧力によって圧縮された炭素と水素は、核に向かって取り返しのつかないほど沈む固体ダイヤモンドを形成します。

ここ地球上で、科学者たちは、衝撃波、強力な光学レーザー、X 線パルスを使用して、ダイヤモンドの雨の生成と形成を観察することで、これらの遠い世界の状況を初めて模倣することに成功しました。

スタンフォード大学のSLAC国立加速器研究所の研究者らは、天王星と海王星の化学組成をシミュレートするために、水素と炭素の混合物から作られたポリスチレンプラスチックを使用した。深さ 5,000 マイル (8,000 km) 以上の惑星の状態を模倣するために、研究チームは高出力の光学レーザーを使用して、衝撃波のペアを物質に発射しました。

最初の衝撃波は 2 番目の衝撃波よりも遅く小さく、重なり合う重要な点で追い越します。この瞬間、圧力がピークに達すると、分子が圧縮され、ダイヤモンド構造が形成されます。

この非常に高いレベルの圧力は数分の一秒を超えると持続できないため、ラボで作られたダイヤモンドはほんの一瞬しか物質化されません。それらを作成する以前の試みでは、ダイヤモンド構造の形成をリアルタイムで観察することはできませんでしたが、SLACの研究者たちは、研究室のX線自由電子レーザーであるリニアックコヒーレント光源（LCLS）を使用して化学反応を記録しました。

「この実験には、世界で最も明るい X 線源である LCLS を使用しました」と、SLAC の光子科学教授であり、Nature Astronomy に掲載された論文の共著者であるジークフリード・グレンツァー氏は述べています。 「これらのダイヤモンドの構造を明確に見るには、これらの強力で高速な X 線パルスが必要です。ダイヤモンドは実験室で非常に短時間しか形成されないからです。」

LCLS のパルスは数フェムト秒 (1 兆分の 1 秒) 継続しますが、これはダイヤモンド レインの生成を記録するには十分な短さです。その結果、科学者らは、プラスチック内のほぼすべての炭素原子が幅数ナノメートルのダイヤモンドに取り込まれたことを確認できました。

これらのサイズは婚約指輪には適さないかもしれないが、海王星と天王星の条件によっては、これらの構造が 100 万カラットを超えるダイヤモンドに成長する可能性があると科学者たちは予測しています。彼らはまた、何千年にもわたって、これらの巨大なダイヤモンドが惑星の氷の層を通って沈み込み、核の周りに厚い層を形成すると信じています。

ダイヤモンドの雨は、天文学の内外でさまざまな用途に応用できる可能性があります。異なる圧力下で元素がどのように融合するかを知ることは、たとえば科学者が惑星の質量と半径の関係をどのように計算するかについて重要な情報を提供することができます。海王星に向かってワルツをしながら内部を覗き込むことは現在不可能であるため、これらの実験は、これらの遠い世界の内部の仕組みを垣間見ることができる重要な情報を提供します。

潜在的な反応の 1 つは、これらの落下するダイヤモンドが核に向かって沈むときに熱を生成し、地球のエネルギー源を生み出す可能性があります。

「このような高圧条件下での物質の凝集は、無視できない力です。」

これらの研究室で作られたナノダイヤモンドは、いつか医療からエレクトロニクスに至るまで、さまざまな商業目的で採取される可能性もあります。これに加えて、物質が極度の圧力で圧縮されたときに何が起こるかについて詳しく知ることは、核融合発電の研究に役立ちます。水素原子を絞ってヘリウムを生成するプロセスは、私たちの太陽に燃料を供給するプロセスであり、これを地球の制御可能な電源に変換しようと競っている少数の組織によってSLACの研究が利用される余地がある。

「シミュレーションでは、この分野で私たちが観察していることを実際には捕らえられません」とグレンザー氏は述べました。 「私たちの研究や他の研究は、この種の高圧条件下での物質の凝集が無視できない力であることを示す証拠を提供しています。」