海王星和天王星等行星内部发生了什么？

为了找出答案，亥姆霍兹中心德累斯顿罗森多夫 (HZDR)、罗斯托克大学和法国综合理工学院领导的国际团队进行了一项新颖的实验。他们向简单的 PET 塑料薄膜发射激光，并使用强激光闪光调查了发生的情况。一个结果是，研究人员能够证实他们早期的论点，即在我们太阳系外围的冰巨星内部确实会下钻石雨。另一个结果是这种方法建立一种生产纳米金刚石的新方法，例如，高灵敏度的量子传感器皆可以采用这种方法。该小组在《科学进展》杂志上发表了其研究结果。

在实验中，用激光射击了一张简单的 PET 塑料薄片。撞击箔状材料样品的强激光闪光将其短暂加热至 6000 摄氏度，从而产生冲击波，在几纳秒内将物质压缩至大气压的数百万倍。科学家们能够确定微小的钻石，即所谓的纳米钻石，是在极端压力下形成的。图片来源：HZDR / Blaurock

海王星和天王星等冰冷巨行星内部的条件非常极端：温度达到数千摄氏度，压力是地球大气层的数百万倍。尽管如此，这样的状态可以在实验室中进行简单模拟：强大的激光闪光击中薄膜状材料样品，眨眼间将其加热至 6,000 摄氏度，并产生压缩材料几纳秒的冲击波达到大气压的一百万倍。

“到目前为止，我们使用碳氢化合物薄膜进行此类实验，”HZDR 物理学家和罗斯托克大学教授 Dominik Kraus 解释说：“我们发现这种极端压力产生了微小的钻石，称为纳米钻石。”

然而，使用这些薄膜只能部分模拟行星的内部——因为冰巨星不仅含有碳和氢，还含有大量的氧。在寻找合适的薄膜材料时，该小组找到了一种日常物质：PET，一种用于制造普通塑料瓶的树脂。“PET 在碳、氢和氧之间具有良好的平衡，可以模拟冰行星的活动，”克劳斯解释说。

该团队在加利福尼亚州的 SLAC 国家加速器实验室进行了实验，该实验室是基于加速器的强大 X 射线激光器直线加速器相干光源 (LCLS) 的所在地。他们用它来分析当强烈的激光闪光击中 PET 薄膜时会发生什么，同时采用两种测量方法：X 射线衍射以确定是否产生了纳米金刚石，以及所谓的小角散射来观察多快和多大钻石长大了。

氧气的作用是加速碳和氢的分裂，从而促进纳米金刚石的形成，这意味着碳原子可以更容易地结合并形成钻石。

这进一步支持了这样的假设，即它确实在冰巨星内部下雨了钻石。这些发现可能不仅与天王星和海王星有关，而且与我们银河系中无数的其他行星有关。虽然这些冰巨星过去被认为是稀有的，但现在似乎很清楚，它们可能是太阳系外最常见的行星形式。

该团队还遇到了另一种暗示：与钻石结合，应该会产生水——但是以一种不寻常的变体。可能已经形成了所谓的超离子水，氧原子形成一个晶格，氢核在其中自由移动。

因为原子核是带电的，超离子水可以传导电流，从而帮助产生冰巨星的磁场。然而，在他们的实验中，研究小组还无法明确证明在与钻石的混合物中存在超离子水。计划与位于汉堡的欧洲 XFEL 的罗斯托克大学密切合作，这是世界上最强大的 X 射线激光器。在那里，HZDR 领导着为此类实验提供理想条件的国际用户联盟 HIBEF。

除了这些相当基础的知识外，新实验还为技术应用开辟了前景：纳米级金刚石的定制生产，这些金刚石已经包含在磨料和抛光剂中。未来，它们应该被用作高灵敏度的量子传感器、医用造影剂和高效的反应加速器，例如用于分解 CO 2。

“到目前为止，这类钻石主要是通过引爆 炸 药生产的，”克劳斯解释：“在激光闪光灯的帮助下，它们可以在未来制造得更干净。”

“高性能激光每秒向 PET 薄膜发射十次闪光，光束以十分之一秒的间隔照亮薄膜。由此产生的纳米金刚石从薄膜中射出并降落在装满水的收集罐中。在那里它们被减速，然后可以被过滤并有效地收获。与炸 药生产相比，这种方法的主要优势在于纳米金刚石可以根据尺寸定制切割，甚至可以掺杂其他原子，”Dominik Kraus 说：“X 射线激光意味着我们拥有可以精确控制钻石生长的实验室工具。”