11.01.2024

Diamantregen auf Eisplaneten

Experiment am European XFEL zeigt: Aus Kohlenstoffverbindungen bilden sich bei geringerem Druck und niedrigeren Temperaturen als bislang vermutet Diamanten.

Ein internationales Team von Forschern unter Leitung von Mungo Frost vom Forschungszentrum SLAC in Kalifornien hat am Röntgenlaser European XFEL in Schenefeld neue Erkenntnisse zur Entstehung und Häufigkeit von Diamantregen auf Eisriesen wie Neptun, Uranus, sowie Exoplaneten außerhalb unseres Sonnensystems gewonnen. Die Ergebnisse der Studie geben auch Hinweise auf die Entstehung der komplexen Magnetfelder dieser Planeten.

Abb.: Diamantenregen im Inneren eines Planeten.
Abb.: Die Grafik veranschaulicht das Phänomen des Diamantenregens im Inneren des Planeten, bei dem Diamanten durch das umgebende Eis nach unten wandern. Je tiefer die Diamanten in das Innere des Planeten vordringen, desto höher werden Druck und Temperatur. Selbst in den sehr heißen Regionen bleibt das Eis aufgrund des extrem hohen Drucks erhalten.
Quelle: T. Wüstefeld, European XFEL

Schon bei früheren Arbeiten an Röntgenlasern hatten Wissenschaftler herausgefunden, dass sich bei Drücken und Temperaturen, die im Inneren der großen Gasplaneten herrschen, aus Kohlenstoffverbindungen Diamanten bilden können. Diese würden dann als Diamant-Regen aus den höheren Schichten weiter ins Innere der Planeten sinken.

Ein neues Experiment am European XFEL hat nun gezeigt, dass sich aus Kohlenstoffverbindungen schon bei geringerem Druck und niedrigeren Temperaturen als bislang vermutet Diamanten bilden. Für die eisigen Gasplaneten in unserem Sonnensystem bedeutet das: Der Diamantregen bildet sich schon in geringerer Tiefe als gedacht und könnte so deren Magnetfeld stärker beeinflussen. Zudem sollte Diamantregen auch auf Gasplaneten möglich sein, die kleiner sind als Neptun und Uranus und als „Mini-Neptune“ bezeichnet werden. Mini-Neptune sind die häufigsten Exoplaneten außerhalb unseres Sonnensystems.

Nachdem sich die Diamanten gebildet haben, können diese bei ihrem Weg nach unten in die tieferen Schichten Gas und Eis mitreißen und so Ströme von leitendem Eis verursachen. Ströme leitender Flüssigkeiten wirken wie eine Art Dynamo, durch den sich die Magnetfelder von Planeten bilden. „Diamantregen hat also wahrscheinlich Einfluss auf die Entstehung der komplexen Magnetfelder von Uranus und Neptun“, so Frost.

Als Kohlenstoffquelle nutzte die Gruppe eine Kunststofffolie aus der Kohlenwasserstoffverbindung Polystyren. Diese setzten sie sehr hohem Druck und Temperaturbedingungen aus, so wie sie im Inneren der Planeten herrschen. Zunächst steigerten sie den Druck, indem sie die Folie zwischen die Spitzen von zwei Diamanten klemmten. Solche Diamantstempelzellen funktionieren wie ein Mini-Schraubstock.

Anschließend setzten sie die Folie den Röntgenblitzen des European XFEL aus, um sie auf mehr als 2200 Grad Celsius zu erhitzen. Diese Temperaturen herrschen tief im Inneren der Eisplaneten. Im Anschluss nutzten die Forscher die Röntgenpulse, um zu beobachten, wann und wie sich die Diamanten bilden. Druck und Temperatur geben dabei Aufschluss darüber, in welcher Tiefe der Planeten die Edelsteine entstehen.

E-XFEL / RK

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