I ett experiment utformat för att efterlikna förhållandena djupt inne i de isiga jätteplaneterna i vårt solsystem, forskare kunde observera "diamantregn" för första gången när det bildades under högtrycksförhållanden. Extremt högt tryck pressar väte och kol som finns i det inre av dessa planeter för att bilda solida diamanter som sakta sjunker ner längre in i det inre.

Den glittrande nederbörden har länge antagits uppstå mer än 5, 000 miles under ytan av Uranus och Neptunus, skapas av vanliga blandningar av bara väte och kol. Det inre av dessa planeter liknar varandra - båda innehåller solida kärnor omgivna av en tät slask av olika isar. Med de isiga planeterna i vårt solsystem, "is" hänvisar till vätemolekyler kopplade till lättare grundämnen, som kol, syre och/eller kväve.

Forskare simulerade miljön som finns inuti dessa planeter genom att skapa stötvågor i plast med en intensiv optisk laser vid instrumentet Matter in Extreme Conditions (MEC) vid SLAC National Accelerator Laboratorys röntgenfri elektronlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS).

I experimentet, de kunde se att nästan varje kolatom i den ursprungliga plasten var inkorporerad i små diamantstrukturer upp till några nanometer breda. På Uranus och Neptunus, studieförfattarna förutspår att diamanter skulle bli mycket större, kanske miljontals karat i vikt. Forskare tror också att det är möjligt att under tusentals år, diamanterna sjunker långsamt genom planeternas islager och samlas till ett tjockt lager runt kärnan.

Forskningen publicerades i Natur astronomi den 21 augusti.

"Tidigare, forskare kunde bara anta att diamanterna hade bildats, sa Dominik Kraus, forskare vid Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf och huvudförfattare på publikationen. "När jag såg resultaten av detta senaste experiment, det var ett av de bästa ögonblicken i min vetenskapliga karriär."

Tidigare experiment som försökte återskapa diamantregn under liknande förhållanden kunde inte fånga mätningar i realtid, på grund av det faktum att vi för närvarande kan skapa dessa extrema förhållanden under vilka små diamanter endast bildas under mycket kort tid i laboratoriet. De optiska högenergilasrarna vid MEC kombinerat med LCLS:s röntgenpulser - som varar bara femtosekunder, eller kvadrilliondelar av en sekund – gjorde det möjligt för forskarna att direkt mäta den kemiska reaktionen.

Andra tidigare experiment såg också antydningar av kolbildande grafit eller diamant vid lägre tryck än de som skapades i detta experiment, men med andra material införda och förändra reaktionerna.

Resultaten som presenteras i detta experiment är den första entydiga observationen av högtrycksdiamantbildning från blandningar och överensstämmer med teoretiska förutsägelser om de förhållanden under vilka sådan nederbörd kan bildas och kommer att ge forskare bättre information för att beskriva och klassificera andra världar.

Förvandla plast till diamant

I experimentet, plast simulerar föreningar bildade av metan - en molekyl med bara ett kol bundet till fyra väteatomer som orsakar Neptunus distinkta blå färg.

Teamet studerade ett plastmaterial, polystyren, som är gjord av en blandning av väte och kol, nyckelkomponenter i dessa planeters övergripande kemiska sammansättning.

I de mellanliggande lagren av isiga jätteplaneter, metan bildar kolvätekedjor (väte och kol) som länge antogs svara på högt tryck och temperatur i djupare lager och bilda den gnistrande nederbörden.

Forskarna använde kraftfull optisk laser för att skapa par av stötvågor i plasten med rätt kombination av temperatur och tryck. Den första stöten är mindre och långsammare och omkörd av den starkare andra stöten. När chockvågorna överlappar varandra, det är det ögonblick då trycket toppar och när de flesta av diamanterna bildas, sa Kraus.

Under dessa stunder, teamet undersökte reaktionen med pulser av röntgenstrålar från LCLS som varar bara 50 femtosekunder. Detta gjorde det möjligt för dem att se de små diamanterna som bildas på bråkdelar av en sekund med en teknik som kallas femtosekund röntgendiffraktion. Röntgenögonblicksbilderna ger information om storleken på diamanterna och detaljerna i den kemiska reaktionen när den sker.

"För detta experiment, vi hade LCLS, den ljusaste röntgenkällan i världen, " sa Siegfried Glenzer, professor i fotonvetenskap vid SLAC och medförfattare till uppsatsen. "Du behöver dessa intensiva, snabba pulser av röntgenstrålar för att entydigt se strukturen hos dessa diamanter, eftersom de bara bildas i laboratoriet under så mycket kort tid."

Nanodiamanter på jobbet

När astronomer observerar exoplaneter utanför vårt solsystem, de kan mäta två primära egenskaper - massan, som mäts av stjärnornas vinkling, och radie, observeras från skuggan när planeten passerar framför en stjärna. Relationen mellan de två används för att klassificera en planet och hjälpa till att avgöra om den kan bestå av tyngre eller lättare element.

"Med planeter, förhållandet mellan massa och radie kan berätta en hel del för forskare om kemin, ", sa Kraus. "Och kemin som händer i det inre kan ge ytterligare information om några av de definierande egenskaperna hos planeten."

Information från studier som denna om hur element blandas och klumpar ihop sig under tryck i det inre av en given planet kan förändra hur forskare beräknar förhållandet mellan massa och radie, gör det möjligt för forskare att bättre modellera och klassificera enskilda planeter. Det fallande "diamantregnet" kan också vara en extra energikälla, genererar värme medan den sjunker mot kärnan.

"Vi kan inte gå in i planeterna och titta på dem, så dessa laboratorieexperiment kompletterar satellit- och teleskopobservationer, sa Kraus.

Forskarna planerar också att tillämpa samma metoder för att titta på andra processer som sker i planeternas inre.

Förutom de insikter de ger i planetvetenskap, nanodiamanter tillverkade på jorden skulle potentiellt kunna skördas för kommersiella ändamål - användningar som spänner över medicin, vetenskaplig utrustning och elektronik. För närvarande, nanodiamanter tillverkas kommersiellt av sprängämnen; laserproduktion kan erbjuda en renare och mer lättkontrollerad metod.

Forskning som komprimerar materia, som denna studie, hjälper också forskare att förstå och förbättra fusionsexperiment där former av väte kombineras för att bilda helium för att generera enorma mängder energi. Detta är processen som ger bränsle till solen och andra stjärnor men som ännu inte har förverkligats på ett kontrollerat sätt för kraftverk på jorden.

I vissa fusionsexperiment, ett bränsle av två olika former av väte omges av ett plastskikt som når förhållanden som liknar planeternas inre under ett kortlivat kompressionsskede. LCLS-experimentet på plast tyder nu på att kemi kan spela en viktig roll i detta skede.

"Simuleringar fångar inte riktigt vad vi observerar på detta område, "Sade Glenzer. "Vår studie och andra ger bevis för att materia som klumpar sig i dessa typer av högtrycksförhållanden är en kraft att räkna med."