천왕성과 해왕성 안에서 다이아몬드 비가 내린다

천왕성

두 얼음 행성인 천왕성과 해왕성의 깊은 곳에서는 이색적인 다이아몬드 비가 발생합니다. 이 다이아몬드 비는 오래전부터 거대한 얼음 행성들 깊숙한 곳에서 발생한다고 생각되어 왔습니다. 하지만 현재, 이 것은 이전에 생각했던 것보다 더 자주 발생할 수 있습니다.

천왕성과 해왕성 내부의 다이아몬드 비

한 연구팀이 태양계 행성인 천왕성과 해왕성 같은 거대한 얼음 행성에서 발견된 것과 유사한 물질로 실험을 했는데 산소의 존재는 다이아몬드 형성 가능성을 증가시키고 다이아몬드가 낮은 온도와 압력에서 형성될 수 있다는 것을 발견했습니다. 이것은 다이아몬드가 이 추운 곳에서 자랄 수 있다는 것을 의미합니다. 결과적으로 이것은 얼음 행성 내부에서 다이아몬드 소나기가 내릴 가능성을 더 높게 만들 것입니다. 또한 같은 실험에서 지금까지 천문학자들을 혼란스럽게 했던 천왕성과 해왕성의 자기장을 설명하는데 도움을 줄 수 있는 새로운 형태의 물의 형성도 발견했습니다. 이 연구는 일부 과학자들에 의해 가장 흔한 형태의 외계 행성들 중 하나인 태양계 밖의 행성에 대한 우리의 그림을 바꿀 수 있을 것입니다. 미국 에너지부의 SLAC 국립 가속기 연구소뿐 아니라 헬름홀츠-젠트룸 드레스덴-로젠 도르프(HZDR) 대학의 과작자 팀은 다이아몬드 비가 형성되는 것을 관찰하였습니다. 새로운 연구는 천왕성과 해왕성의 다이아몬드가 잠재적으로 수백만 캐럿의 무게까지 자랄 수 있다고 예측합니다. 거대한 얼음은 단단한 표면이 부족하지만 중심부를 향해 갈수록 밀도가 높아지는데, 수천 년 동안 다이아몬드가 얼음층을 통해 가라앉을 수 있습니다. 그것들은 두꺼운 다이아몬드 층을 형성하는 행성들의 단단한 심장 주위에 축적되기 시작할 것입니다. 또한 과학자팀은 초이온수라고 불리는 새로운 물이 다이아몬드와 함께 형성되었다는 것을 발견했습니다. 초이온수는 수소 원자핵이 자유롭게 떠다니는 결정격자를 형성하는 산소 성분과 함께 물 분자가 분해되는 고온과 압력에서 존재합니다. 수소 원자핵은 양전하를 띠고 있어 초이온수가 전류를 전도하여 자기장을 발생시킬 수 있습니다. 이것은 천왕성과 해왕성 주변에서 볼 수 있는 특이한 자기장을 설명할 수 있습니다. SLAC의 과학자인 Silvia Pandolfi는 발표를 통해 '우리의 실험은 이 원소들이 어떻게 거대한 얼음에서 다이아몬드가 형성되는 조건을 바꿀 수 있는지를 보여줍니다. 만약 우리가 행성들을 정확하게 모형화하기를 원한다면, 우리는 행성 내부의 실제 구성에 최대한 가까워져야 합니다.'라고 말했습니다.

더 복잡한 다이아몬드의 형성

SLAC 고에너지 밀도 부서의 책임자인 Siegfried Glenzer는 거대한 얼음 같은 행성 내부의 상황은 다이아몬드 형성에 영향을 미치는 많은 화학 물질이 있기 때문에 복잡합니다. 이전 논문에서 모든 혼합물에서 다이아몬드가 형성되는 것을 직접 목격한 것은 처음이었습니다. 우리가 알아내고 싶은 것은 화학물질이 어떤 종류의 효과를 가지고 있는지였습니다.'라고 말했습니다. 연구팀은 거대한 얼음에서 일반적으로 발견되는 원소인 수소와 탄소의 혼합물로 구성된 플라스틱 재료를 사용하여 실험을 시작했지만 최근에는 PET 플라스틱으로 대체했습니다. PET는 포장, 병, 용기의 용도로 지구에서 우리에게 친숙합니다. PET는 거대한 얼음 내에서 발견되는 조건을 더 정확하게 복제하는 데 사용할 수 있습니다. HZDR의 물리학자이자 로스톡 대학의 Dominik Kraus 교수는 'PET는 탄소, 수소, 산소 사이에 균형이 잘 잡혀 있어 얼음 행성의 활동을 시뮬레이션할 수 있습니다. SLAC의 고출력 광학 레이저로 PET에 충격파 발생시켜 LCLS의 X선 펄스를 사용하여 플라스틱에서 일어나는 일을 조사할 수 있었습니다. 이를 통해 PET 내의 원자가 다이아몬드 모양의 영역으로 배열되어 이 영역이 성장하는 속도를 측정할 수 있었습니다. 과학자들은 다이아몬드 모양의 영역이 너비가 나노미터 정도로 커졌다는 것을 발견하였고, PET에 산소가 존재함으로써 나노 다이아몬드가 이전에 볼 수 있었던 것보다 더 낮은 압력과 온도에서 성장한다는 것을 의미한다는 것도 발견했습니다. Kraus 교수는 '산소의 효과는 탄소와 수소의 분리를 가속화하여 나노 다이아몬드의 형성을 촉진시켰습니다. 그것은 탄소 원자가 더 쉽게 결합되어 다이아몬드를 형성할 수 있다는 것을 의미했습니다.'라고 말했습니다.

나노 다이아몬드

이 연구는 값싼 PET 플라스틱에 레이저 구동 충격 압축을 가할 때 생성될 수 있는 '나노 다이아몬드'로 알려진 1 마이크로미터 미만 크기의 다이아몬드를 제조하는 새로운 방법을 잠재적으로 제시할 수 있습니다. SLAC의 과학자인 Benjamin Ofori-Okai는 '나노 다이아몬드가 현재 만들어지는 방식은 탄소나 다이아몬드 한 묶음을 폭발물로 부수는 것입니다. 이 실험에서 우리가 보고 있는 것은 고온과 고압에서 같은 종의 다른 반응성입니다.'라고 말했습니다. Ofori-Okai는 '추가된 레이저 생산은 나노 다이아몬드를 생산하는 더 깨끗하고 더 쉽게 제어되는 방법을 제공할 수 있습니다. 우리가 반응성에 대한 몇 가지 사항을 변경하는 방법을 설계할 수 있다면 그것이 얼마나 빨리 형성되고 얼마나 커지는지를 변경할 수 있습니다.'라고 말했습니다. 나노 다이아몬드는 약물전달, 비침습적 수술, 의료 센서뿐 아니라 성장하는 양자 기술 분야를 포함하여 의학에서 잠재적으로 풍부한 응용 분야를 가지고 있습니다. 이것은 과학자들의 발견이 태양계 외곽에 숨어 있는 거대한 얼음보다 우리의 생활에 더 가까울 수 있다는 것을 의미합니다. 이 연구의 과학자들은 이제 거대한 얼음의 주요 구성 요소인 에탄올, 물, 암모니아와 같은 화학 물질을 포함하는 액체 샘플을 사용하여 이러한 추운 세계의 얼어붙은 대기 아래에서 일어나는 일에 대한 더 나은 그림을 얻는 실험할 것입니다. SLAC의 과학자인 Nicholas Hartley는 '극한 조건을 재현하여 이러한 과정이 매우 빠르고 매우 작은 규모에서 어떻게 진행되는지 확인할 수 있다는 사실은 흥미롭습니다. 산소를 추가하면 이러한 행성 과정의 전체 그림을 보는 데 그 어느 때보다 가까워집니다. 하지만 아직 해야 할 일이 더 많습니다. 가장 현실적인 혼합물을 얻고 이러한 재료가 다른 행성에서 실제로 어떻게 작용하는지 확인하는 단계입니다.'라고 말했습니다. 그 팀의 연구는 Science Advances 저널에 게재되었습니다.