Entstehung komplexer Magnetfelder Wann es Diamanten regnet: Neue Erkenntnisse zu astronomischem Phänomen

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Temperaturen von 2.200 Grad Celsius und Ströme von leitendem Eis – das lässt auf Eisplaneten und im Labor Diamanten regnen. Wie dieses erstaunliche Phänomen auch die Entstehung komplexer Magnetfelder erklären kann, zeigt eine aktuelle Studie am Röntgenlaser 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 Edelstein-Regen aus den höheren Schichten weiter ins Innere der Planeten sinken.

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

Diamanten entstehen schon bei moderateren Bedingungen als gedacht

Das neue 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.

Ein Dynamo aus leitendem Eis

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. Diese sogenannten Diamantstempelzellen funktionieren wie ein Mini-Schraubstock. Anschließend setzten sie die Folie den Röntgenblitzen des European XFEL aus, um sie auf mehr als 2.200 Grad Celsius zu erwärmen. 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.

Dem internationalen Forscherteam gehören Forschende von European XFEL, den deutschen Forschungszentren DESY in Hamburg und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf sowie weiteren Forschungseinrichtungen und Universitäten aus verschiedenen Ländern an. Zu dieser Arbeit maßgeblich beigetragen hat das EuXFEL-Nutzerkonsortium HIBEF, an dem HZDR und DESY beteiligt sind. „Durch diese internationale Zusammenarbeit haben wir am European XFEL große Fortschritte erzielt und bemerkenswerte neue Erkenntnisse über Eisplaneten gewonnen“, so Frost.

Originalpublikation: M. Frost et al., Diamond Precipitation Dynamics from Hydrocarbons at Icy Planet Interior Conditions, Nature Astronomy, 2024, https://www.nature.com/articles/s41550-023-02147-x; DOI 10.1038/s41550-023-02147-x

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