Daljna svetova, kjer dežujejo diamanti

Nazaj

Leta 1981 je znanstvenik Marvin Ross z Kalifornijske univerze v prestižni reviji Nature objavil provokativen članek. V njem je Ross izzval obstoječe predstave o kemični sestavi Urana in Neptuna ter znanstveno srenjo razburil s tezo, da se v notranjosti obeh planetov nahaja jedro, katerega zunanje plasti so sestavljene iz čistega diamanta. Ross je v naslovu članka uborabil besedno zvezo »diamanti na nebu«. Štirideset let pozneje dokazi za pokrajino iz diamantov v notranjosti ledenih orjakov prihajajo od povsod. Pa ne le za pokrajino. Glede na nekatere izračune, naj bi globoko pod površjem Urana in Neptuna padal čisto pravi diamantni dež.

Uran in Neptun se nahajata na samem robu Osončja. Na videz sta si zelo podobna, zaradi česar ju mnogi imenujejo dvojčka. Oba obdajata gosti atmosferi, ki vsebujeta ravno prav metana, ki jima daje prepoznaven moder videz. Fotografije vesoljske misije Voyager 2 ter zemeljskih observatorijev so razkrile obstoj ogromnih belih oblakov v atmosferah obeh planetov, hkrati pa se v njih pojavljajo velike črne lise, za katere znanstveniki še ne vedo, kako in zakaj nastanejo. Voyager 2 je edina misija, ki je obiskala oba planeta v 80-tih letih prejšnjega stoletja. Ta obisk je bil zelo kratek, zaradi česar sta Neptun in Uran najmanj raziskana planeta v Osončju.

Neptun in Uran uvrščamo med planete, ki jim pravimo plinasti orjaki, tako kot Jupitru in Saturnu. Toda v zadnjih nekaj desetletjih je postalo jasno, da sta modra planeta drugačna, zato ju danes uvrščamo v podrazred ledenih orjakov. Ker njune notranjosti ne moremo neposredno opazovati, lahko na dogajanje v globinah obeh planetov sklepamo le na podlagi teoretskih modelov in laboratorijskih poskusov. Zgodba o diamantnem dežju je po eni strani zgodba o ekstremnih fizikalnih pogojih, ki vladajo globoko pod površjem Urana in Neptuna, po drugi strani pa o prav posebni molekuli, najenostavnejšega ogljikovodika – metana. Pa se potopimo najprej v notranjost obeh planetov. Ker sta si podobna tudi po notranji strukturi, bo dovolj, da se omejimo na Neptun.

V grobem bi lahko Neptun razdelili na tri dele – trdno jedro, tekoči plašč ter plinasto atmosfero. Slednja predstavlja 5 do 10 % celotne mase planeta, ta pa je povečini skoncentrirana v dveh plasteh – troposferi ter stratosferi. Podobno kot na Zemlji, se v troposferi temperatura z naraščajočo višino znižuje. To je tista plast atmosfere, ki jo še lahko opazujemo s teleskopi. Ker Neptun nima trdnega površja je le-to definirano kot razdalja od središča planeta, kjer je atmosferski tlak enak Zemeljskemu, torej 1 baru. Po tej definiciji se troposfera razteza iz globine 300 kilomerov pod Neptunovim površjem vse do višine 50 kilometrov. Atmosferski tlak se na teh višinah zmanjša od 100 barov na 0,2 bara. V Neptunovi troposferi so pogosto vidni oblaki, katerih kemična sestava se spreminja z višino. Globlje pod površjem, kjer je zračni tlak do petkrat višji od tistega na morski gladini našega planeta, oblaki sestojijo iz amonijaka, amonijakovega sulfida, vodikovega sulfida ter vode. Nekoliko višje se nahajajo oblaki iz amonijaka in vodikovega sulfida, medtem ko v zgornjih plasteh troposfere lebdijo oblaki iz metana.

Nad troposfero se razprostira stratosfera, katere glavna značilnost je, da temperatura v njej z višino narašča. Stratosfera se razteza do višine 4000 kilometrov nad površjem. V njej se tvorijo meglice kot posledica kondenzacije etana ter etina, dveh ogljikovodikov, ki vsebujeta dva ogljikova atoma. Do nastanka teh molekul pride zaradi fotolize metana, to je kemične reakcije, kjer ultraviolična svetloba s Sonca najprej razbije molekule metana v ogljikove ter vodikove atome, ti pa se nato povezujejo v že omenjene nekoliko kompleksnejše spojine.

V globinah pod troposfero se temperatura ter tlak Neptuna postopoma povečujeta. Matematični modeli predvidevajo, da v središču planetovega jedra, ki ga najverjetneje sestavljajo železo, nikelj ter silikati, tlak naraste na 7 megabarov, temperatura pa na 5500 Kelvinov. Megabar je tlak, ki je milijonkrat višji od tistega na morski gladini našega planeta. Za primerjavo, sedem megabarov je približno dvakrat več od tlaka v središču Zemlje, temperatura 5500 Kelvinov pa je primerljiva s tistima v središču Zemlje ter na površju Sonca. Jedro Neptuna predstavlja le okoli 3,5 odstotka celotne planetove mase. Tako se večina snovi nahaja v plašču, ki se nahaja med jedrom ter atmosfero.

Neptunov plašč vsebuje za približno 10 Zemelj snovi. V njem se nahajajo velike količine vode, amonijaka in metana. Tej mešanici pravimo led, čeprav se gre za vročo ter zelo gosto tekočino. Zaradi visokega tlaka ter temperature se ta tekočina nahaja superkritičnem stanju, ki ni ne plin, ne kapljevina. Tej mešanici v znanstveni literaturi pogosto pravijo ocean iz vode in amonijaka. Toda to je le površen opis, saj so znanstveniki mnenja, da vodne molekule v vrhnjih plasteh plašča dejansko razpadejo na kisikove ter vodikove ione, v globinah pa se zaradi povečanega tlaka kisik strdi v kristal, medtem ko vodik ostane tekoč.

Približno 7000 kilometrov pod površjem Neptuna sta temperatura ter tlak dovolj visoka, da metanove molekule razpadejo na ogljikove ter vodikove atome. Ogljik se nato predvidoma strdi v majhne kristale – diamante, ki nato dežujejo v smeri proti jedru.

Toda – od kod znansvenikom sploh znanje o tem, kakšna je notranjost ledenih orjakov? Navsezadnje, posnetki narejeni s sodobnimi teleskopi lahko prodrejo kvečjemu 300 kilometrov v globino teh planetov.

Odgovor na to vprašanje so znanstveniki našli v laboratorijskih poskusih. Dr. Ross je v svojem članku zapisal, da so v tistem obdobju ocene za tlak ter temperaturo v plašču Urana in Neptuna znašale med 6 megabari in 7000 Kelvinov v nižjih plasteh ter 0,2 megabara in 2200 Kelvinov v plasteh, ki mejijo na atmosfero. Rezultati druge znanstvene raziskave, ki so jih Ross in sodelavci objavili leta 1980 so pokazali, da pri teh pogojih molekule metana razpadejo na posamezne atome. Vedelo se pa je tudi, da pri le nekoliko višjem tlaku ogljik »zamrzne« v diamant.

Mnogo pozneje, leta 2010, je skupina znanstvenikov, ki jih je vodil dr. Guoying Gao z Univerze Jilin na Kitajskem, objavila članek, v katerem je obnašanje metana pri temperaturi nič Kelvinov ter pod ekstremnim tlakom proučila nekoliko podrobneje. Znanstveniki so prišli do zaključka, da metan postane nestabilen že pri tlaku 950.000 krat večjem od atmosferskega, pri čemer najprej razpade na atome, ki nato se nato povežejo v molekule etana, ki je ogljikovodik z dvema ogljikovima atomoma. Pri še višjem tlaku, 1,58 megabara naj bi razpadli metanovi atomi začeli tvoriti plin butan, ki ga sestavljajo štirje ogljikovi atomi, za tvorbo diamantov pa naj bi bil potreben tlak 2,87 megabarov.

Temperatura v notranjosti ledenih orjakov seveda ni enaka nič Kelvinom. Znanstveniki so za zanesljivejše rezultate potrebovali laboratorijske poskuse, ki bi se odvijali pod pogoji, ki so veliko bolj podobni tistim v notranjosti Neptuna in Urana. To je uspelo skupini znanstvenikov pod vodstvom Dominika Krausa, z Raziskovalnega središča Helmholtz Dresden-Rossendorf v Nemčiji. Ti avtorji so svoje odkritje gradili na dognanjih druge skupine pod vodstvom Sergeja Lobanova, ki je bila ugotovila, da se v prisotnosti visokih temperatur metan stali in nato tvori kompleksne ogljikovodike. Kraus in sodelavci so uporabili to dejstvo ter na vzorec poliestirena, posebne plastike, ki jo sestavljata ogljik in vodik, usmerili dva izjemno močna laserja – enega s svetlobo v vidnem delu spektra ter drugega iz rentgenskih žarkov. Posledično se je polimer segrel na 5000 Kelvinov in bil podvržen tlaku 1,5 megabara, to pa so pogoji, ki dejansko vladajo 10.000 kilometrov pod površjem Neptuna in Urana. V le delčku sekunde je poliestiren razpadel in nastajati so začeli drobni diamanti, ki so v premeru merili le nekaj nanometrov.

Podoben poskus je leta 2021 na Japonskem izvedla skupina znanstvenikov pod vodstvom Hirokaza Kadobayashija, vendar z eno pomembno razliko. Ta skupina je namreč močan laser namesto na spojine ogljika in vodika usmerila na mešanico metana in vode, kar je nekoliko bliže sestavi plašča ledenih orjakov. Diamantni prah je začel nastajati pri nekoliko nižji temperaturi, 3800 Kelvinov in pri tlaku »le« 0,45 megabara. To pa pomeni, da bi diamanti na Neptunu in Uranu lahko nastajali že v zunanjih plasteh njunih plaščev.

Na koncu omenimo še rezultat kitajske skupine znanstvenikov pod vodstvom Bingqing Chenga, ki je letos objavila članek, v katerem predlagajo, da imajo majhne razlike v pogojih, ki vladajo v notranjosti Neptuna in Urana velik vpliv na tvorbo diamantov na obeh planetih. Tako na Uranu koncentracija ogljika naj ne bi dosegala vrednosti potrebnih za tvorbo diamantov, medtem ko naj Neptun s tem ne bi imel težav. Tako naj bi diamanti pridno deževali iz zunanjih plasti Neptunovega plašča proti njegovemu jedru, pri čemer naj bi se sproščala energija v obliki toplote. In ravno ta pojav bi lahko razložil uganko, s katero si astronomi belijo lase že desetletja. Za razliko od Urana, Neptun namreč seva približno 2,5 krat več toplote, kot je prejme od Sonca. Njen izvor je za astronome do danes ostal skrivnost. Cheng in sodelavci torej predlagajo, da da naj bi kar diamanti bili tisto kurivo, ki greje Neptun in poganja vremenske pojave v njegovi atmosferi.

Seveda bodo znanstveniki v prihodnje izvedli še veliko mnogo kompleksnejših laboratorijskih poskusov ter izračunov. Astronomi si že leta prizadevajo tudi za vesoljsko misijo, ki obiskala oba ledena orjaka. To bi se to moralo zgoditi v kratkem, saj se bodo v začetku prihodnjega desetletja poravnali Jupiter, Uran in Neptun, to pa bi močno skrajšalo čas potovanja vesoljske misije. Rok za izstrelitev misije proti Neptunu se bo iztekel leta 2031, medtem ko bi se proti Uranu lahko odpravili nekaj let pozneje. Bomo videli, kako se bodo odločile velike vesoljske agencije. Držimo pesti!

Nadaljna čtiva za radovedneže

1. Ross, M., Ree, F. H. (1980) Repulsive forces of simple molecules and mixtures at high density and temperature. The Journal of Chemical Physics, 73 (12). 6146-6152 doi:10.1063/1.440106
2. Ross, M. The ice layer in Uranus and Neptune—diamonds in the sky?. Nature 292, 435–436 (1981). https://doi.org/10.1038/292435a0
3. Guoying Gao, Artem R. Oganov, Yanming Ma, Hui Wang, Peifang Li, Yinwei Li, Toshiaki Iitaka, and Guangtian Zou, “Dissociation of methane under high pressure”, J. Chem. Phys. 133, 144508 (2010) https://doi.org/10.1063/1.3488102
4. Lobanov, S. S. et al. Carbon precipitation from heavy hydrocarbon fluid in deep planetary interiors. Nat. Commun. 4, 2446 (2013).
5. Kraus, D., Vorberger, J., Pak, A. et al. Formation of diamonds in laser-compressed hydrocarbons at planetary interior conditions. Nat Astron 1, 606–611 (2017). https://doi.org/10.1038/s41550-017-0219-9
6. Kadobayashi, H., Ohnishi, S., Ohfuji, H. et al. Diamond formation from methane hydrate under the internal conditions of giant icy planets. Sci Rep 11, 8165 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-87638-5
7. Bingqing Cheng, Sebastien Hamel, and Mandy Bethkenhagen, Diamond formation from hydrocarbon mixtures in planets, arXiv:2207.02927v1
8. Uranus, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Uranus
9. Neptune, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Neptune
10. Atmosphere of Uranus, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Uranus
11. NASA Completes Study of Future ‘Ice Giant’ Mission Concepts, https://www.nasa.gov/feature/nasa-completes-study-of-future-ice-giant-mission-concepts
12. Astronomers Make the Case for a Mission to Neptune and Uranus, https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/astronomers-make-the-case-for-a-mission-to-neptune-and-uranus-d438f4d6d75c