Dans une expérience conçue pour imiter les conditions au plus profond des planètes géantes glacées de notre système solaire, les scientifiques ont pu observer pour la première fois une "pluie de diamants" alors qu'elle se formait dans des conditions de haute pression. Une pression extrêmement élevée comprime l'hydrogène et le carbone trouvés à l'intérieur de ces planètes pour former des diamants solides qui s'enfoncent lentement plus loin à l'intérieur.

La précipitation scintillante a longtemps été supposée se produire plus de 5, 000 milles sous la surface d'Uranus et de Neptune, créé à partir de mélanges courants d'hydrogène et de carbone. L'intérieur de ces planètes est similaire :les deux contiennent des noyaux solides entourés d'une épaisse couche de neige fondante de différentes glaces. Avec les planètes glacées de notre système solaire, « glace » fait référence à des molécules d'hydrogène reliées à des éléments plus légers, comme le carbone, l'oxygène et/ou l'azote.

Les chercheurs ont simulé l'environnement trouvé à l'intérieur de ces planètes en créant des ondes de choc dans du plastique avec un laser optique intense à l'instrument Matter in Extreme Conditions (MEC) du laser à électrons libres à rayons X du SLAC National Accelerator Laboratory, la source de lumière cohérente Linac (LCLS).

Dans l'expérience, ils ont pu voir que presque chaque atome de carbone du plastique d'origine était incorporé dans de petites structures en diamant jusqu'à quelques nanomètres de large. Sur Uranus et Neptune, les auteurs de l'étude prédisent que les diamants deviendraient beaucoup plus gros, peut-être des millions de carats en poids. Les chercheurs pensent également qu'il est possible qu'au cours de milliers d'années, les diamants s'enfoncent lentement à travers les couches de glace des planètes et s'assemblent en une couche épaisse autour du noyau.

La recherche a été publiée dans Astronomie de la nature le 21 août.

"Précédemment, les chercheurs ne pouvaient que supposer que les diamants s'étaient formés, " dit Dominik Kraus, scientifique au Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf et auteur principal de la publication. "Quand j'ai vu les résultats de cette dernière expérience, ce fut l'un des meilleurs moments de ma carrière scientifique."

Des expériences antérieures qui tentaient de recréer une pluie de diamants dans des conditions similaires n'étaient pas en mesure de capturer des mesures en temps réel, en raison du fait qu'actuellement, nous pouvons créer ces conditions extrêmes dans lesquelles de minuscules diamants ne se forment que pendant très peu de temps en laboratoire. Les lasers optiques à haute énergie de MEC combinés aux impulsions de rayons X du LCLS, qui ne durent que quelques femtosecondes, ou des quadrillions de seconde, ont permis aux scientifiques de mesurer directement la réaction chimique.

D'autres expériences antérieures ont également vu des indices de carbone formant du graphite ou du diamant à des pressions inférieures à celles créées dans cette expérience, mais avec d'autres matériaux introduits et modifiant les réactions.

Les résultats présentés dans cette expérience sont la première observation sans ambiguïté de la formation de diamants à haute pression à partir de mélanges et concordent avec les prédictions théoriques sur les conditions dans lesquelles de telles précipitations peuvent se former et fourniront aux scientifiques de meilleures informations pour décrire et classer d'autres mondes.

Transformer le plastique en diamant

Dans l'expérience, le plastique simule des composés formés à partir de méthane, une molécule avec un seul carbone lié à quatre atomes d'hydrogène qui provoque la dominante bleue distincte de Neptune.

L'équipe a étudié une matière plastique, polystyrène, qui est fait d'un mélange d'hydrogène et de carbone, composants clés de la composition chimique globale de ces planètes.

Dans les couches intermédiaires des planètes géantes glacées, le méthane forme des chaînes d'hydrocarbures (hydrogène et carbone) qui ont longtemps été supposées répondre à une pression et une température élevées dans les couches plus profondes et former les précipitations scintillantes.

Les chercheurs ont utilisé un laser optique à haute puissance pour créer des paires d'ondes de choc dans le plastique avec la bonne combinaison de température et de pression. Le premier choc est plus petit et plus lent et dépassé par le deuxième choc plus fort. Lorsque les ondes de choc se chevauchent, c'est le moment où la pression atteint son maximum et où la plupart des diamants se forment, dit Kraus.

Pendant ces instants, l'équipe a sondé la réaction avec des impulsions de rayons X de LCLS qui ne durent que 50 femtosecondes. Cela leur a permis de voir les petits diamants qui se forment en quelques fractions de seconde avec une technique appelée diffraction des rayons X femtoseconde. Les clichés aux rayons X fournissent des informations sur la taille des diamants et les détails de la réaction chimique au fur et à mesure qu'elle se produit.

"Pour cette expérience, nous avons eu LCLS, la source de rayons X la plus brillante au monde, " dit Siegfried Glenzer, professeur de science des photons au SLAC et co-auteur de l'article. "Vous avez besoin de ces intenses, des impulsions rapides de rayons X pour voir sans ambiguïté la structure de ces diamants, car ils ne se forment en laboratoire que pour un temps très court."

Les nanodiamants au travail

Lorsque les astronomes observent des exoplanètes en dehors de notre système solaire, ils sont capables de mesurer deux traits principaux :la masse, qui se mesure par l'oscillation des étoiles, et rayon, observé de l'ombre lorsque la planète passe devant une étoile. La relation entre les deux est utilisée pour classer une planète et aider à déterminer si elle peut être composée d'éléments plus lourds ou plus légers.

"Avec les planètes, la relation entre la masse et le rayon peut en dire beaucoup aux scientifiques sur la chimie, " a déclaré Kraus. " Et la chimie qui se produit à l'intérieur peut fournir des informations supplémentaires sur certaines des caractéristiques déterminantes de la planète. "

Les informations provenant d'études comme celle-ci sur la façon dont les éléments se mélangent et s'agglutinent sous pression à l'intérieur d'une planète donnée peuvent changer la façon dont les scientifiques calculent la relation entre la masse et le rayon, permettant aux scientifiques de mieux modéliser et classer les planètes individuelles. La « pluie de diamants » qui tombe pourrait également être une source d'énergie supplémentaire, générant de la chaleur tout en s'enfonçant vers le noyau.

"Nous ne pouvons pas aller à l'intérieur des planètes et les regarder, ces expériences en laboratoire complètent donc les observations des satellites et des télescopes, " dit Kraus.

Les chercheurs prévoient également d'appliquer les mêmes méthodes pour examiner d'autres processus qui se produisent à l'intérieur des planètes.

En plus des aperçus qu'ils donnent sur la science planétaire, les nanodiamants fabriqués sur Terre pourraient potentiellement être récoltés à des fins commerciales - des utilisations qui couvrent la médecine, matériel scientifique et électronique. Actuellement, les nanodiamants sont produits commercialement à partir d'explosifs; la production au laser peut offrir une méthode plus propre et plus facile à contrôler.

Une recherche qui comprime la matière, comme cette étude, aide également les scientifiques à comprendre et à améliorer les expériences de fusion où des formes d'hydrogène se combinent pour former de l'hélium afin de générer de grandes quantités d'énergie. C'est le processus qui alimente le soleil et d'autres étoiles, mais n'a pas encore été réalisé de manière contrôlée pour les centrales électriques sur Terre.

Dans certaines expériences de fusion, un carburant composé de deux formes différentes d'hydrogène est entouré d'une couche de plastique qui atteint des conditions similaires à celles de l'intérieur des planètes au cours d'une étape de compression de courte durée. L'expérience LCLS sur le plastique suggère maintenant que la chimie pourrait jouer un rôle important à cette étape.

"Les simulations ne capturent pas vraiment ce que nous observons dans ce domaine, ", a déclaré Glenzer. "Notre étude et d'autres fournissent la preuve que l'agglutination de la matière dans ces types de conditions de haute pression est une force avec laquelle il faut compter."