ألماس من خارج الأرض

في عام 1981، كتب مارتن روس بحثًا بعنوان "طبقة الجليد في أورانوس ونبتون - ألماس في السماء؟" اقترح فيه إمكانية وجود كميات هائلة من الألماس في باطن هذين الكوكبين. في مختبر لورانس ليفرمور ، حلل روس بيانات من ضغط موجات الصدمة لغاز الميثان (CH4 ₎ ، ووجد أن الضغط الهائل يفصل ذرة الكربون عن الهيدروجين، مما يحررها لتكوين الألماس. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

توقعت النماذج النظرية التي وضعها ساندرو سكاندولو وآخرون أن تتشكل الماسات عند ضغوط تتجاوز 300 جيجا باسكال (GPa)، ولكن حتى عند ضغوط أقل، يتفكك الميثان ويشكل سلاسل من الهيدروكربونات. وقد وجدت تجارب الضغط العالي التي أجريت في جامعة كاليفورنيا في بيركلي باستخدام خلية سندان ماسية، كلا البنيتين عند ضغط 50 جيجا باسكال فقط ودرجة حرارة 2500 كلفن، أي ما يعادل أعماقًا تصل إلى 7000 كيلومتر تحت قمم سحب نبتون. وفي تجربة أخرى في المختبر الجيوفيزيائي، لوحظ عدم استقرار الميثان عند ضغط 7 جيجا باسكال فقط ودرجة حرارة 2000 كلفن. وبعد تشكلها، تغوص الماسات الأكثر كثافة. ويحول هذا "المطر الماسي" الطاقة الكامنة إلى حرارة ، مما يساعد على دفع تيارات الحمل الحراري التي تولد المجال المغناطيسي لنبتون. ^{[ 14 ] [ 12 ] [ 15 ]}

توجد بعض الشكوك حول مدى انطباق نتائج التجارب على كوكبي أورانوس ونبتون. فوجود الماء والهيدروجين ممزوجين بالميثان قد يُغير التفاعلات الكيميائية. ^{[ 14 ]} وقد أظهر فيزيائي في معهد فريتز هابر في برلين أن تركيز الكربون على هذين الكوكبين ليس كافيًا لتكوين الماس من الصفر. أما اقتراح إمكانية تكوّن الماس أيضًا على كوكبي المشتري وزحل، حيث تركيز الكربون أقل بكثير، فقد اعتُبر مستبعدًا لأن الماس سيذوب بسرعة. ^{[ 16 ]}

أظهرت التجارب التي سعت إلى تحويل الميثان إلى ألماس إشارات ضعيفة، ولم تصل إلى درجات الحرارة والضغوط المتوقعة في أورانوس ونبتون. مع ذلك، استخدمت تجربة حديثة التسخين بالصدمات الليزرية للوصول إلى درجات الحرارة والضغوط المتوقعة على عمق 10,000 كيلومتر تحت سطح أورانوس. وعندما طُبقت هذه التقنية على البوليسترين ، اندمجت جميع ذرات الكربون تقريبًا في المادة لتكوين بلورات الألماس في غضون نانوثانية واحدة. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

تمت دراسة العلاقة بين ترسب الماس وآليات البنية الداخلية للكواكب العملاقة الجليدية ونظرياتها لأكثر من 30 عامًا. ^{[ 19 ]} ومع ذلك، أدت الأبحاث الحديثة في هذا المجال إلى تطوير الماس النانوي في ظروف مشابهة لتلك الموجودة على كوكبي أورانوس ونبتون، باستخدام ضغط الصدمات الناتج عن الليزر وليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية. ^{[ 19 ]} وقد لوحظ تبلور الكربون في ظل هذه الظروف خلال فترة زمنية نانوثانية، مما يضيق نطاق عمليات التكوين التي تم استكشافها في تجارب الموجات الصدمية السابقة. ^{[ 19 ]} ويُعتقد أن هذه التجارب المختبرية التناظرية، التي تُجرى على هذه النطاقات الزمنية النانوثانية، تُحاكي بدقة العمليات التي ستحدث على النطاقات الزمنية الكوكبية. ^{[ 19 ]} وهذا يدعم بقوة فكرة إمكانية ترسب الماس في باطن الكواكب، ولكنه يشير أيضًا إلى أن حدوث ذلك على الأرجح أسرع وعلى نطاقات أصغر مما كان يُفترض سابقًا. ^{[ 20 ]} تشير الدراسات الحديثة أيضًا إلى أن ترسيب الماس قد يكون شديد الحساسية للبيئة الكيميائية للمادة، بما في ذلك الأكسجين والماء والعديد من المواد المتطايرة الأخرى الموجودة في باطن الكواكب الجليدية العملاقة. ^{[ 20 ] [ 21 ]} قد تُغير هذه المكونات المختلفة مسارات التفاعل، مما قد يُعيق ترسيب الماس النقي، ويؤدي إما إلى تكوين مركبات كربون-أكسجين أكثر تعقيدًا، أو مواد أولية أخرى للماس. ^{[ 20 ] [ 21 ]} لتكوين هذه الماسات، قد يحتاج الميثان (بالاشتراك مع مكونات أخرى غير متفاعلة) إلى ضغط ودرجة حرارة أعلى مما كان متوقعًا سابقًا. ^{[ 21 ]} وبالتالي، قد يُحد ذلك من مدى ترسيب الماس في مناطق كوكبية معينة وبيئات جليدية مماثلة. ^{[ 21 ]}

تشير هذه النتائج إلى أن غاز الميثان في باطن الكواكب العملاقة الجليدية مثل أورانوس ونبتون يمكن أن يتحول إلى هيدروكربونات أثقل، وأن يخضع لانفصال طوري إلى ماس وهيدروجين عند ضغوط عالية، مما قد يؤدي إلى تكوين بنى داخلية طبقية. ^{[ 19 ]} وبناءً على الظروف الديناميكية الحرارية في مواقع مختلفة داخل هذه الكواكب العملاقة الجليدية، يزداد احتمال أن تدعم نماذج الكربون والأكسجين والهيدروجين إعادة تنظيم المركبات الكربونية لتكوين بنى ماسية في الأعماق. ^{[ 20 ]} وقد شكلت النماذج المختبرية المماثلة ماسًا على مقياس النانومتر، مما يدل على تكوين جزيئات الماس على مقياس النانومتر في ظل ظروف مشابهة لتلك الموجودة في أورانوس ونبتون. ^{[ 19 ]} وهذا يؤكد أهمية تقييم التأثير الكيميائي على علاقات الكتلة بنصف القطر، والتي بدورها تحدد المواد التي تشكل هذه الكواكب. ^{[ 19 ]}

يبدو أيضًا أن لهذه العمليات تأثيرات كبيرة على بنية الكواكب العملاقة الجليدية وتطورها. ^{[ 19 ]} قد يؤثر تكوين وترسيب أطوار الكربون الكثيفة على توزيع الكثافة الداخلية والتطور الحراري لهذه الكواكب. ^{[ 20 ]} قد يؤثر وجود هذه الأطوار الصلبة الغنية بالكربون على الموصلية الكهربائية في أعماق الكواكب العملاقة الجليدية، وبالتالي على هندسة وقوة المجالات المغناطيسية الكوكبية شديدة التعقيد لكل من أورانوس ونبتون. ^{[ 20 ]} علاوة على ذلك، يشير سطوع نبتون الأعلى إلى أن تراكم الماس وتكوينه قد يكون مسؤولاً عن مصدر طاقة داخلي يؤثر على تطور نبتون الكوكبي مقارنةً بأورانوس. ^{[ 20 ]} في هذه المرحلة، لا تزال الأدلة الرصدية المباشرة غير متوفرة لدعم هذه الفرضيات، ومع ذلك، فإن معقولية عمليات تكوين الماس هذه مدعومة بالبحوث التجريبية والنظرية الحالية. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

في المجموعة الشمسية، تتكون الكواكب الصخرية عطارد والزهرة والأرض والمريخ من السيليكات بنسبة تتراوح بين 70% و90% من كتلتها. في المقابل، قد تدور حول النجوم ذات النسبة العالية من الكربون إلى الأكسجين كواكب تتكون في معظمها من الكربيدات، وأكثرها شيوعًا كربيد السيليكون . يتميز كربيد السيليكون بموصلية حرارية أعلى ومعامل تمدد حراري أقل من السيليكات. ينتج عن ذلك تبريد توصيلي أسرع بالقرب من السطح، ولكن في الطبقات السفلى، قد تكون تيارات الحمل الحراري قوية على الأقل مثل تلك الموجودة في الكواكب السيليكاتية. ^{[ 23 ]}

أحد هذه الكواكب هو PSR J1719-1438 b ، وهو كوكب مرافق لنجم نابض ذي نبضات ميلي ثانية . تبلغ كثافته ضعف كثافة الرصاص على الأقل ، وقد يتكون أساسًا من ماس فائق الكثافة. يُعتقد أنه بقايا قزم أبيض بعد أن فقد النجم النابض أكثر من 99% من كتلته. ^{[ 2 ] [ 24 ] [ 25 ]}

يُطلق على كوكب آخر، يُدعى 55 Cancri e ، اسم "الأرض العملاقة" لأنه، مثل الأرض، كوكب صخري يدور حول نجم شبيه بالشمس، لكن نصف قطره ضعف نصف قطر الأرض وكتلته ثمانية أضعاف كتلة الشمس. وخلص الباحثون الذين اكتشفوه عام 2012 إلى أنه غني بالكربون، مما يُرجّح وجود كميات وفيرة من الماس فيه. ^{[ 26 ]} مع ذلك، أشارت تحليلات لاحقة، باستخدام مقاييس متعددة للتركيب الكيميائي للنجم، إلى أن النجم يحتوي على أكسجين أكثر بنسبة 25% من الكربون. وهذا يُقلّل من احتمالية أن يكون الكوكب نفسه كوكبًا كربونيًا. ^{[ 27 ]}