En un experimento diseñado para
imitar las condiciones profundas dentro de los planetas gigantes helados de
nuestro sistema solar, los científicos fueron capaces de observar "la
lluvia de diamantes" por primera vez, esto se logró gracias a condiciones
en alta presión. Cuando la presión es extremadamente alta ésta comprime el
hidrógeno y el carbono que se encuentran dentro de estos planetas gigantes, formándose
así diamantes sólidos que se hunden
lentamente hacia el interior.
Los investigadores simularon el
ambiente que se encuentra dentro de estos planetas creando ondas de choque en
plástico, con un láser óptico intenso, este experimento se hizo con el
instrumento de Materia en Condiciones Extremas (MEC) en el láser de rayos X del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC .
Los investigadores en el
experimento, fueron capaces de ver que casi todos los átomos de carbono del
plástico original se incorporaron en pequeñas estructuras de diamantes de hasta
unos pocos nanómetros de ancho. En Urano y Neptuno, los autores del
estudio predicen que los diamantes serían mucho más grandes, tal vez
millones de quilates de peso. Los investigadores también piensan que es
posible que durante miles de años, los diamantes se hunden lentamente a través
de las capas de hielo de los planetas y se ensamblen en una gruesa capa
alrededor del núcleo.
"Anteriormente, los
investigadores sólo podían suponer que los diamantes se habían formado",
dijo Dominik Kraus, científico de Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf y autor
principal de la publicación. "Cuando vi los resultados de este último
experimento, fue uno de los mejores momentos de mi carrera científica".
Experimentos anteriores que
intentaron recrear la lluvia de diamantes en condiciones similares no fueron
capaces de capturar las mediciones en tiempo real, debido al hecho de que
actualmente podemos crear estas condiciones extremas bajo las cuales los
diminutos diamantes se forman sólo por un tiempo muy breve en el
laboratorio. Los láseres ópticos de alta energía de MEC combinados con los
pulsos de rayos X de LCLS que duran sólo unos femtosegundos o cuadrilliones de
segundo, permitieron a los científicos medir directamente la reacción química.
Otros experimentos anteriores
también vieron indicios de carbono que forman grafito o diamante a presiones
más bajas que las creadas en este experimento, pero con otros materiales
introducidos.
Los resultados presentados en
este experimento son la primera observación inequívoca de la formación de diamantes
de alta presión a partir de mezclas y de acuerdo con las predicciones teóricas
sobre las condiciones bajo las cuales tal precipitación puede formar y
proporcionará a los científicos con mejor información para describir y
clasificar otros mundos.
Convertir el plástico en
diamante
En el experimento, el plástico
simula compuestos formados a partir de metano una molécula con un solo carbono
unido a cuatro átomos de hidrógeno que causa el distinto molde azul de Neptuno.
El equipo estudió un material
plástico, el poliestireno, que está hecho de una mezcla de hidrógeno y carbono,
componentes clave de la composición química global de estos planetas.
En las capas intermedias de los
planetas gigantes helados, el metano forma cadenas de hidrocarburos (hidrógeno
y carbono) que fueron formuladas durante largo tiempo para responder a altas
presiones y temperaturas en capas más profundas y formar la precipitación
espumosa.
Los investigadores utilizaron
láser óptico de alta potencia para crear pares de ondas de choque en el
plástico con la combinación correcta de temperatura y presión. El choque
primero es más pequeño y más lento y superado por el segundo choque más
fuerte. Cuando las ondas de choque se superponen, ese es el momento en que
los picos de presión y cuando la mayoría de los diamantes se forman, dijo
Kraus.
Durante esos momentos, el equipo
investigó la reacción con pulsos de rayos X de LCLS que duran sólo 50
femtosegundos. Esto les permitió ver los pequeños diamantes que se forman
en fracciones de segundo con una técnica llamada difracción de rayos X de
femtosegundos. Las instantáneas de rayos X proporcionan información sobre
el tamaño de los diamantes y los detalles de la reacción química según se produce.
"Para este experimento,
tuvimos LCLS la fuente de rayos X más brillante del mundo", dijo Siegfried
Glenzer, profesor de ciencia de fotones en SLAC y coautor del
artículo. "Necesitas estos intensos y rápidos pulsos de rayos X para
ver inequívocamente la estructura de estos diamantes, porque sólo se forman en
el laboratorio durante un tiempo muy corto".
Nanodiamantes en el trabajo
Cuando los astrónomos observan
exoplanetas fuera de nuestro sistema solar, son capaces de medir dos rasgos
primarios la masa, que se mide por el bamboleo de las estrellas, y el radio,
observado desde la sombra cuando el planeta pasa delante de una
estrella. La relación entre los dos se utiliza para clasificar un planeta
y ayudar a determinar si puede estar compuesto de elementos más pesados o más
ligeros.
"Con los planetas, la
relación entre la masa y el radio puede decir a los científicos un poco sobre
la química", dijo Kraus. "Y la química que ocurre en el interior
de estos planetas puede proporcionar información adicional sobre algunas de las
características definitorias del planeta".
La información de estudios como
éste sobre cómo los elementos se mezclan y se agrupan bajo presión en el
interior de un planeta puede cambiar la forma en que los científicos calculan
la relación entre masa y radio, permitiendo a los científicos modelar y
clasificar mejor los planetas individuales. La caída de "lluvia de
diamantes" también podría ser una fuente adicional de energía, generando
calor mientras se hunde hacia el núcleo.
"No podemos entrar en los
planetas y verlos, así que estos experimentos de laboratorio complementan las
observaciones de los satélites y telescopios", dijo Kraus.
Los investigadores también
planean aplicar los mismos métodos para mirar otros procesos que ocurren en los
interiores de los planetas.
Además de las ideas que dan a la
ciencia planetaria, nanodiamantes hechos en la Tierra podrían ser cosechados
potencialmente para fines comerciales los usos que abarcan la medicina, el
equipo científico y la electrónica. Actualmente, los nanodiamantes se
producen comercialmente a partir de explosivos; La producción de láser
puede ofrecer un método más limpio y más fácilmente controlado.
La investigación que comprime la
materia, como este estudio, también ayuda a los científicos a entender y
mejorar los experimentos de fusión donde las formas de hidrógeno se combinan
para formar helio para generar grandes cantidades de energía. Este es el
proceso que alimenta el sol y otras estrellas, pero aún no se ha realizado de
manera controlada para las plantas de energía en la Tierra.
En algunos experimentos de
fusión, un combustible de dos formas diferentes de hidrógeno está rodeado por
una capa de plástico que alcanza condiciones similares al interior de los
planetas durante una fase de compresión de corta duración. El experimento
LCLS en plástico ahora sugiere que la química puede desempeñar un papel
importante en esta etapa.
"Las simulaciones no captan
realmente lo que estamos observando en este campo", dijo
Glenzer. "Nuestro estudio y otros proporcionan evidencia de que la
acumulación de materia en estos tipos de condiciones de alta presión es una
fuerza a tener en cuenta".
