Podle vědeckých předpokladů mohlo intenzivní teplo a obrovský tlak v hloubkách tisíců kilometrů pod povrchem těchto ledových obrů roztrhat uhlovodíkové sloučeniny na části, přičemž uhlík by se mohl vlivem tlaku a vysokých teplot změnit na diamant a klesat ještě hlouběji k planetárnímu jádru. 

Jakým způsobem může tento proces "diamantového deště" probíhat, se vědci pokusili zjistit pomocí nového experimentu s rentgenovým laserem Linac Coherent Light Source (LCLS) laboratoře SLAC National Accelerator Laboratory. Výsledek? Podle experimentu uhlík přechází přímo do krystalického diamantu.

"Tento výzkum poskytuje údaje o jevu, který se v počítači velmi obtížně modeluje: mísitelnost dvou prvků a jejich kombinování během mísení. Lze v něm pozorovat, jak se dva prvky od sebe oddělují, jako kdyby se majonéza dělila zpět na olej a ocet," cituje web Science Alert plazmového fyzika Mikea Dunnea, ředitele LCLS, jenž se na studii osobně nepodílel. Studii publikoval odborný titul Nature Communications.

Nejtajemnější ve sluneční soustavě

Neptun a Uran jsou dosud nejméně prozkoumanými planetami sluneční soustavy. Obě jsou od Země příliš vzdálené na to, aby byly dostupné. Dosud se k nim přiblížila pouze jediná vesmírná sonda, Voyager 2, a i ta pouze proletěla kolem, nešlo o dlouhodobou výpravu k těmto planetám. 

Planety typu ledový obr jsou přitom v širším měřítku galaxie Mléčná dráha velmi časté - podle NASA se exoplanety podobné Neptunu vyskytují v galaxii desetkrát častěji než exoplanety podobné Jupiteru (tedy plynní obři). 

Pochopení Neptunu a Uranu je proto zásadní pro chápání planet v celé galaxii. "A chceme-li jim rozumět lépe, musíme vědět, co se děje pod jejich klidnou modrou vizáží," podotýká Science Alert.

Vědci vědí, že atmosféru Neptunu a Uranu tvoří primárně vodík a helium, s přídavkem malého množství metanu. Pod touto atmosférickou vrstvou obtéká jádro planety superhustá a superhorká tekutina "ledových" materiálů, jako je voda, metan a amoniak.

Výpočty a experimenty ze začátku 80. let minulého století ukázaly, že metan se při dostatečném tlaku a teplotě může rozložit na diamanty. To naznačuje, že by se mohly diamanty tvořit i v onom extra hustém a žhavém materiálu Neptunu a Uranu.

Tuto teorii se pokusil už dříve prokázat experiment fyzika Dominika Krause z německého Helmholtz-Zentrum v Drážďanech-Rossendorfu. Kraus nejdřív použil rentgenovou difrakční analýzu, nyní se svým týmem v experimentování pokročil dál.

"Jako velmi slibný se nám jeví nový přístup založený na rozptylu rentgenového záření. Díky našim experimentům si ověřujeme důležité parametry, u kterých jsme dříve měli pouze obrovskou nejistotu. S objevováním dalších a dalších exoplanet to bude stále důležitější," řekl Kraus.

Jak napodobit prostředí planetárního obra

Nitra obřích planet se však na Zemi jen obtížně napodobují. Nezbytné je velmi intenzivní a ostré prostředí - to poskytl rentgenový laser LCLS. Pak ještě potřebujete materiál, jenž by vhodně nahradil skutečné prvky a další složky uvnitř ledové planety. Za tímto účelem použil tým uhlovodíkový polystyren (C8H8), jenž simuloval přítomnost uhlovodíku (CH4). 

Prvním krokem experimentu bylo zahřátí a natlakování materiálu tak, aby to napodobilo podmínky panující uvnitř Neptunu v hloubce asi 10 tisíc kilometrů. Vědci tento úkol řešili za pomoci pulsů optického laseru, jež vyvolaly rázy v polystyrenu. Ty rozpálily materiál až na teplotu 4727 stupňů Celsia a vytvořily také intenzivní tlak.

"Produkujeme tlak asi 1,5 milionu barů, což je zhruba takový tlak, jako kdyby vám na nehet palce šláplo svou plnou hmotností naráz asi 250 afrických slonů," uvedl Kraus.

Rentgenová difrakce, použitá při předchozím experimentu, se dobře hodí pro studium materiálů s krystalickou strukturou, ale u nekrystalických molekul funguje hůře. Experiment tak poskytl jen neúplný obraz. (Princip difrakční analýzy totiž spočívá v tom, že při průchodu rentgenového záření látkou dochází k pružnému ohybu - neboli difrakci - paprsků, přičemž jejich směr a intenzita závisí na vnitřní struktuře vzorku. Zatímco u krystalů coby prvků s periodickou strukturou působí jejich atomy jako difrakční mřížka ve viditelném světle, v amorfních vzorcích jsou atomy rozmístěny nepravidelně a jejich přispění k celkové intenzitě difraktovaného záření se často vzájemně vyruší, pozn. red.)

Tým proto v novém experimentu použil jinou metodu, a sice měření toho, jak rentgenové záření rozptýlí v polystyrenu elektrony. Výsledek? Pokus vědcům umožnil pozorovat nejen přeměnu uhlíku v diamant, ale také to, co se stane se zbytkem vzorku - ten se rozštěpil na vodík, žádný uhlík prakticky nezbyl. 

"Víme tak nyní, že v případě ledových obrů uhlík po oddělení od vodíku téměř výlučně vytváří diamanty a nepřejímá na sebe přechodnou tekutou formu. To je důležité, protože nám to říká o Neptunu něco opravdu zvláštního. Jeho nitro je zřejmě teplejší než by mělo být. Ve skutečnosti vydává 2,6krát více energie, než kolik jí absorbuje ze Slunce," tvrdí Kraus.

Vysvětlení tohoto jevu může podle vědců spočívat ve vzájemném působení vytvořených diamantů a okolního prostředí. Pokud diamanty, které jsou hustší než okolní prostředí, skutečně padají ("prší") dolů do nitra planety, mohly by uvolňovat gravitační energii, která se vzájemným třením mezi diamanty a materiálem kolem nich přeměňuje na teplo.

Experiment pomůže

Podle vědců nový experiment zatím v žádném případě nevyloučil ani jiná, alternativní vysvětlení daných vědců, přesto však odhalil metodu, která by se dala použít i k "průzkumu" vnitřku jiných planet ve Sluneční soustavě. "Tato technika nám umožní mapovat zajímavé, jež jejinak obtížné napodobit. Budeme se moci například podívat, jak se za těchto extrémních podmínek mísí a oddělují prvky jako vodík a helium, které se nacházejí uvnitř plynných obrů typu Jupiteru a Saturnu," říká Kraus.

"Je to nový způsob, jak studovat evoluční historii planet a planetární systémy. Může to také podpořit experimenty s možnými budoucími formami energie, získanými z jaderné syntézy," dodal vědec.