Ein internationales Forscherteam um Dr. Mungo Frost vom Forschungszentrum SLAC in Kalifornien hat mit dem Röntgenlaser European XFEL in Schenefeld neue Erkenntnisse über die Entstehung von Diamantregen auf eisigen Planeten wie Neptun und Uranus gewonnen. Die Ergebnisse liefern auch Hinweise auf die Entstehung der komplexen Magnetfelder dieser Planeten.
Bei früheren Arbeiten zu Röntgenlasern entdeckten Wissenschaftler, dass sich Diamanten aufgrund des dort herrschenden hohen Drucks aus Kohlenstoffverbindungen im Inneren der großen Gasplaneten bilden sollten. Diese würden dann als Regen von Edelsteinen aus den höheren Schichten weiter in das Innere der Planeten sinken.
Ein neues Experiment am European XFEL hat nun gezeigt, dass die Bildung von Diamanten aus Kohlenstoffverbindungen bereits bei niedrigeren Drücken und Temperaturen als angenommen beginnt. Für die Gasplaneten bedeutet dies, dass sich Diamantregen bereits in geringerer Tiefe als gedacht bildet und somit einen stärkeren Einfluss auf die Entstehung der Magnetfelder haben könnte.
Darüber hinaus wäre Diamantregen auch auf Gasplaneten möglich, die kleiner als Neptun und Uranus sind und „Mini-Neptune“ genannt werden. Solche Planeten gibt es in unserem Sonnensystem nicht, sie kommen aber als Exoplaneten außerhalb unseres Sonnensystems vor.
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Naturastronomie.
Auf seinem Weg von den äußeren in die inneren Schichten der Planeten kann der Diamantregen Gas und Eis mitreißen und so Ströme aus leitfähigem Eis verursachen. Ströme leitfähiger Flüssigkeiten wirken wie eine Art Dynamo, durch den die Magnetfelder der Planeten entstehen.
„Der Diamantregen hat wahrscheinlich einen Einfluss auf die Entstehung der komplexen Magnetfelder von Uranus und Neptun“, sagte Frost.
Als Kohlenstoffquelle nutzte die Gruppe eine Kunststofffolie aus der Kohlenwasserstoffverbindung Polystyrol. Unter sehr hohem Druck bilden sich aus der Folie Diamanten – ein Prozess, der auf die gleiche Weise abläuft wie im Inneren von Planeten und der am European XFEL nachgeahmt werden kann.
Den hohen Druck und die Temperatur von mehr als 2.200 Grad Celsius, die im Inneren der eisigen Gasriesen herrschen, erzeugten die Forscher mithilfe von Diamantstempelzellen und Lasern. Die Stempelzellen funktionieren wie ein Mini-Schraubstock, in dem die Probe zwischen zwei Diamanten gepresst wird. Mit Hilfe der European XFEL-Röntgenpulse können Zeitpunkt, Bedingungen und Ablauf der Entstehung der Diamanten in der Stempelzelle genau beobachtet werden.
Zum internationalen Forschungsteam gehören außerdem Wissenschaftler des European XFEL, der deutschen Forschungszentren DESY in Hamburg und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf sowie weiterer Forschungseinrichtungen und Universitäten aus verschiedenen Ländern. Einen wesentlichen Beitrag zu dieser Arbeit leistete das European-XFEL-Nutzerkonsortium HIBEF, an dem die Forschungszentren HZDR und DESY beteiligt sind.
„Durch diese internationale Zusammenarbeit haben wir am European XFEL große Fortschritte gemacht und bemerkenswerte neue Erkenntnisse über eisige Planeten gewonnen“, sagt Frost.
Mehr Informationen:
Mungo Frost et al., Diamantniederschlagsdynamik aus Kohlenwasserstoffen bei eisigen Planeteninnenbedingungen, Naturastronomie (2024). DOI: 10.1038/s41550-023-02147-x
Bereitgestellt von European XFEL