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Astronomie Planeten, in denen es Diamanten regnet

Deutsche und amerikanische Forscher enthüllen das Innenleben der Eisriesen in unserem Sonnensystem.

Neptun
Faszinierende blaue Kugel im äußeren Sonnensystem: In einer Simulation gibt Neptun sein Innerstes preis. Foto: helmholtz-zentrum

Frostige Temperaturen von um minus 200 Grad Celsius herrschen auf der Oberfläche von Neptun und Uranus, den Eisriesen in unserem Sonnensystem. Wissenschaftler aus Deutschland und den USA haben nun das Innenleben dieser Planeten simuliert und beobachtet, wie sich in ihnen „Diamantregen“ bildet. Sie haben dabei Erkenntnisse gewonnen, die auch für das Leben auf der Erde von Bedeutung sein könnte. Ihre Studienergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“.

Neptun und Uranus sind etwa viermal so groß wie die Erde, sie zählen zu den äußeren Planeten unseres Sonnensystems. Ihre Oberfläche erscheint blau, im Inneren herrscht gewaltiger Druck. Beide Himmelskörper bestehen aus einem festen Kern, den dichte Schichten „Eis“ umhüllen.

Dieses kosmische Eis setzt sich vor allem aus Kohlenwasserstoffen, Wasser und Ammoniak zusammen. Seit langem vermuten Astrophysiker, dass der extreme Druck 10.000 Kilometer unter der Oberfläche zu einer Auftrennung des Kohlenwasserstoffs führt. Bei diesem Vorgang bilden sich Diamanten, die weiter ins Innere des Planeten sinken. „Bislang konnte dieser glitzernde Niederschlag aber nicht direkt experimentell beobachtet werden“, sagt Dominik Kraus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Den Wissenschaftlern gelang es nun, genau das hinzubekommen: Sie setzten Polystyrol, eine spezielle Form von Plastik, das ebenfalls auf einem Mix von Kohlen- und Wasserstoff aufgebaut ist, Bedingungen aus, die dem Innenleben von Neptun und Uranus ähneln.

Zu diesem Zweck schickten die Forscher durch die Proben zwei Schockwellen, die sie unter anderem mit einem ultrastarken Röntgenlaser des Stanford Linear Accelerator Centers in Kalifornien angeregt hatten. Auf diese Weise pressten sie das Plastik mit einem gewaltigen Druck bei einer Temperatur von rund 5000 Grad Celsius zusammen.

„Die erste, kleinere und langsamere Welle wird dabei von der stärkeren, zweiten überholt“, erläutert Dominik Kraus. „In dem Moment, in dem sich beide Wellen überschneiden, bilden sich die meisten Diamanten.“ Dieser Prozess dauert nur Bruchteile von Sekunden. Doch mit Hilfe der ultraschnellen Beugung der Röntgenstrahlen bekamen die Wissenschaftler Momentaufnahmen von der Entstehung der Diamanten und der chemischen Prozesse geliefert. „Die Experimente zeigen, dass sich fast alle Kohlenstoff-Atome in nanometergroße Diamantstrukturen zusammenschließen“, erklärt Dominik Kraus.

Ihre Beobachtungen lassen die Forscher schlussfolgern, dass die Diamanten auf Neptun und Uranus vermutlich weitaus größere Strukturen annehmen und wahrscheinlich über tausende Jahre hinweg langsam in den Planetenkern hinabsinken.

Von ihren Erkenntnissen erhoffen sich die Wissenschaftler, zu einem grundsätzlich besseren Verständnis des Aufbaus von Exoplaneten zu kommen. Daneben könnten ihre Versuche aber auch einen praktischen Nutzen haben: So werden Nano-Diamanten, wie sie in den Experimenten entstehen, unter anderem für elektronische Instrumente und medizinische Verfahren, aber auch als Schneidstoffe in der industriellen Fertigung verwendet. Derzeit bilden hauptsächlich Sprengungen die Basis für die Herstellung dieser Nano-Diamanten. Die Produktion mit Lasern könnte ein Verfahren ermöglichen, das sauberer und leichter zu kontrollieren sei, sagt Dominik Kraus.

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