天王星和海王星内部可能会下一场大雨。

在最近的高能激光实验中，研究人员复制了在被称为冰巨星的此类行星的大气层深处发现的压力和温度。实验室中的这些极端条件将碳氢化合物塑料（其化学性质类似于冰巨行星中的甲烷）压缩成微小的钻石，从而为长期以来关于冰巨行星特征的理论提供了实验支持。

“这是一个非常令人惊讶的实验，”德国德累斯顿的研究员麦克斯说。他的团队曾预计在受到高压后会出现非常小的分子分裂迹象，“也许有一些钻石的迹象，”他解释道。

但相反，他们发现了一个非常强烈的信号，即在巨大压力下，海王星中的碳氢化合物会转化为钻石。克劳斯是 8 月 21 日描述结果的自然天文学论文的主要作者。

在最近的测试中，实验者首先必须找到一种化学性质类似于甲烷（CH4）的物质，这种分子据信在海王星上的丰度约为 1.5%，是地球上仅次于氢和氦的最常见成分。他们发现了聚苯乙烯(C8H8) 塑料——它不仅是一种常见材料，而且由于它在室温下为固体，因此更易于使用，而甲烷是需要包含的气体。

然后，研究人员用高能 X 射线激光向聚苯乙烯样品发射了两个短而强的脉冲。两束激光几乎同时击中样品，产生的压力冲击几乎是地球表面大气压的 150 万倍，但温度仍低于钻石的熔点。

研究人员目睹了碳与氢分离并压缩成纳米尺寸的钻石。

在天王星和海王星表面下方约 10,000 公里处发现了短暂的冲击模拟条件。然后，使用X 射线衍射测量在激光撞击后持续监测样品的化学性质，研究人员目睹了碳与氢分离并压缩成纳米尺寸的钻石。

将实验的类比带回海王星，结果表明，当你深入海王星内部时，已知存在于海王星内的碳氢化合物可能会凝结成固体。实验在加利福尼亚州门洛帕克的斯坦福直线加速器中心加速器实验室进行。

克劳斯解释说，了解碳氢化合物在冰巨星大气层深处的表现将影响我们对大气如何传输热量和随时间演变的理解。更重要的是，这项研究的意义超出了我们的太阳系，还延伸到了系外行星，因为大部分已知的系外行星在大小或质量上都与我们的冰巨星相似。

从上到下模拟冰巨星大气密度的能力是表征该行星的关键部分。克劳斯指出，例如，主要由氢气构成的大气层比含有钻石的大气层要膨胀得多。

镶嵌钻石的气氛也可能与没有钻石的气氛截然不同。研究人员说，例如，大气对流可能必须克服更多障碍，这可能导致不同大气层之间的化学成分发生急剧变化。这也可能抑制热流。

“这些实验可用于提高我们对宇宙中常见材料在高压和高温下的行为的理解，这与行星内部建模直接相关，”该大学计算科学和理论天体物理学教授麦克斯说苏黎世的瑞士人，他没有参与这项研究。

一两次 X 射线打孔器是实验成功的关键。

行星科学家马文·罗斯在 1981 年首次提出天王星和海王星可能有钻石沉淀的想法。从那时起，其他研究小组多次尝试在实验室中观察这种化学反应，但只看到了氢碳分离和钻石形成的迹象。此外，这些变化发生在与理论不太吻合的压力和温度下。

相比之下，克劳斯和他的团队使用的冲击法在理论建议的温度和压力下产生了来自分离和钻石形成的强烈信号。根据合著者、斯坦福大学光子科学教授的说法，一两次 X 射线冲击是实验成功的关键。

“我们看到碳簇在氢存在下形成，然后我们看到这些碳簇在高压下形成钻石，”格伦泽说。

克劳斯补充说，“在这 1 纳秒或更短的时间内，塑料中的几乎每个碳原子都变成了金刚石晶体结构。” 他说，如果纳米级钻石能够生长更长的时间，就像它们在巨大的冰层大气中一样，那么纳米钻石“肯定会长到更大的尺寸”。

麦克斯解释说，要看到钻石的形成，样品需要被高度压缩，但不能加热到超过钻石的熔点，这对于大多数激光实验来说都是一个棘手的组合。激光仅压缩样品几纳秒，时间太短而无法显着提高温度。该团队在 SLAC 的直线加速器相干光源上使用极端条件下的物质仪器进行了实验。

加州利弗莫尔劳伦斯利弗莫尔国家实验室的实验物理学家劳拉·罗宾·贝内德蒂说，“能够评估这些反应性和动力学问题”，他没有参与这项研究。“在这个领域有新的工作非常令人兴奋。”

“在这 1 纳秒或更短的时间内，几乎塑料中的每个碳原子都变成了金刚石晶体结构。”

麦克斯解释说，冲击法的短时间尺度对于防止氢在金刚石压缩过程中逸出很重要。他推测，过去在几秒钟内观察反应的实验可能会遭受氢损失。

在冲击实验中，“氢仍然存在，这很重要，因为这就是海王星发生的事情，”格伦泽强调说。“你有高压下的碳，而氢仍然存在。然后我们看到了钻石的形成。” 通过这种方式，实验室模拟“是我们认为海王星正在发生的事情的更好近似值。”

“氢仍然存在，这很重要，因为这就是海王星发生的事情。”

据克劳斯说，该研究小组已经开始对不同成分的塑料进行类似的实验，以测试可能发生的反应范围。他和他的同事们对包括氧和氦在内的反应特别感兴趣，这两种元素不仅在冰巨星中而且在类木星行星中都非常丰富。

麦克斯说，该团队还希望从实验室中取出新形成的钻石，以分析它们的结构和强度。通过这一点，这门科学可能会有实际应用：收获实验中形成的金刚石纳米晶体是研究人员评估金刚石在材料科学或工业中潜在应用的第一步。

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作者：姑娘