地球外ダイヤモンド

1981年、マーティン・ロスは「天王星と海王星の氷層―空のダイヤモンド？」と題する論文を発表し、これらの惑星の内部に大量のダイヤモンドが存在する可能性があると提唱した。ローレンス・リバモア研究所で、彼はメタン（CH ₄ ）の衝撃波圧縮のデータを分析し、極度の圧力によって炭素原子が水素から分離され、ダイヤモンドが形成されることを発見した。^{[ 12 ] [ 13 ]}

サンドロ・スカンドロらによる理論モデルでは、ダイヤモンドは300ギガパスカル（GPa）を超える圧力で形成されると予測されていたが、それより低い圧力でもメタンは破壊され、炭化水素の鎖を形成すると予測されていた。カリフォルニア大学バークレー校で行われたダイヤモンドアンビルセルを用いた高圧実験では、わずか50 GPa、温度2500ケルビン（海王星の雲頂から7000キロメートル下の深さに相当）で両方の構造が確認された。地球物理学研究所で行われた別の実験では、メタンはわずか7 GPa、2000ケルビンで不安定になることがわかった。形成された後、密度の高いダイヤモンドは沈降する。この「ダイヤモンドの雨」は位置エネルギーを熱に変換し、海王星の磁場を生成する対流を促進するのに役立つ。 ^{[ 14 ] [ 12 ] [ 15 ]}

実験結果が天王星と海王星にどの程度適用できるかについては、いくつかの不確実性がある。メタンに水と水素が混ざると、化学反応が変化する可能性がある。^{[ 14 ]}ベルリンのフリッツ・ハーバー研究所の物理学者は、これらの惑星の炭素濃度は、ダイヤモンドをゼロから形成するのに十分な濃度ではないことを示した。炭素濃度がはるかに低い木星と土星でもダイヤモンドが形成される可能性があるという提案は、ダイヤモンドがすぐに溶解してしまうため、ありそうもないと考えられた。^{[ 16 ]}

メタンをダイヤモンドに変換する実験では、弱い信号しか得られず、天王星や海王星で予想される温度と圧力には達しませんでした。しかし、最近の実験では、レーザーによる衝撃加熱を用いて、天王星の表面から1万キロメートル下の深さで予想される温度と圧力に到達しました。ポリスチレンに対してこの実験を行ったところ、材料中のほぼすべての炭素原子がナノ秒以内にダイヤモンド結晶に組み込まれました。^{[ 17 ] [ 18 ]}

氷の巨大惑星の内部構造の力学とダイヤモンドの析出の関係は、30年以上にわたって理論化され研究されてきた。^{[ 19 ]}しかし、この分野の最近の研究では、レーザー駆動の衝撃圧縮とX線自由電子レーザーを利用して、天王星や海王星と同様の氷の巨大惑星の条件下でナノダイヤモンドが開発された。^{[ 19 ]}これらの条件下での炭素の結晶化はナノ秒単位で観測されており、以前の衝撃波実験で調査された形成プロセスの範囲をさらに狭めている。^{[ 19 ]}これらのナノ秒の時間スケールで行われる実験室での類似実験は、惑星の時間スケールで起こるプロセスを正確に再現すると考えられている。^{[ 19 ]}これは、ダイヤモンドが惑星の内部で析出する可能性があるという考えを強く支持するだけでなく、それが以前の仮説よりもはるかに速く、より小さなスケールで起こる可能性が高いことも示唆している。^{[ 20 ]}最近の研究では、ダイヤモンドの沈殿は、氷の巨大惑星の内部に存在する酸素、水、その他のさまざまな揮発性物質を含む物質の化学環境に非常に敏感である可能性も示唆されています。^{[ 20 ] [ 21 ]}これらのさまざまな成分は反応経路を変化させる可能性があり、その結果、純粋なダイヤモンドの沈殿が阻害され、より複雑な炭素酸素化合物または他のダイヤモンド前駆物質が生成される可能性があります。^{[ 20 ] [ 21 ]}これらのダイヤモンドを形成するには、メタン（他の非反応性成分と結合）は、以前予想されていたよりも高い圧力と温度を必要とする可能性があります。^{[ 21 ]}その結果、特定の惑星領域や同様の氷環境では、ダイヤモンドの沈殿の範囲が制限される可能性があります。^{[ 21 ]}

これらの結果は、天王星や海王星のような氷の巨大惑星の内部にあるメタンが、高圧下でより重い炭化水素に変換され、ダイヤモンドと水素に相分離し、層状の内部構造につながる可能性があることを示唆している。^{[ 19 ]}これらの氷の巨大惑星の内部のさまざまな場所における熱力学的条件に応じて、これらの炭素、酸素、水素モデルが、深部で炭素化合物がダイヤモンド構造に再編成されることを支持する可能性がますます高まっている。^{[ 20 ]}アナログ実験室モデルはナノメートルスケールでダイヤモンドを形成し、これは天王星と海王星に関連する条件下でナノメートルスケールでダイヤモンド粒子が形成されることを示している。^{[ 19 ]}これは、質量半径相関に対する化学的影響を評価することの重要性を強調しており、これは、これらの惑星を形成する物質を制限する。^{[ 19 ]}

これらのプロセスは氷の巨大惑星の惑星構造と進化に大きな影響を与えているようです。^{[ 19 ]}高密度の炭素相の形成と沈降は、これらの惑星の内部密度分布と熱進化に影響を与える可能性があります。^{[ 20 ]}これらの炭素に富む固体相の発生は、氷の巨大惑星の深部内部の電気伝導率に影響を与え、ひいては天王星と海王星の両方の非常に複雑な惑星磁場の形状と強度に影響を与える可能性があります。^{[ 20 ]}さらに、海王星の光度が高いことから、ダイヤモンドの蓄積と生成が、天王星との関連で海王星の惑星発達に影響を与える内部エネルギー源の原因となっている可能性が示唆されます。^{[ 20 ]}現時点では、これらの仮説を裏付ける直接的な観測証拠はまだありませんが、これらのダイヤモンド形成プロセスの妥当性は、現在の実験的および理論的研究によって裏付けられています。^{[ 19 ] [ 20 ]}

太陽系では、岩石惑星である水星、金星、地球、火星は質量比で70%から90%がケイ酸塩で構成されている。対照的に、炭素と酸素の比率が高い恒星の周りを公転する惑星は、主に炭化物で構成されており、最も一般的な物質は炭化ケイ素である。炭化ケイ素はケイ酸塩よりも熱伝導率が高く、熱膨張率が低い。このため、表面付近ではより急速な伝導冷却が起こるが、下層では対流はケイ酸塩惑星の場合と少なくとも同程度に活発になる可能性がある。^{[ 23 ]}

そのような惑星の1つが、ミリ秒パルサーの伴星であるPSR J1719-1438 bです。鉛の少なくとも2倍の密度を持ち、主に超高密度のダイヤモンドで構成されている可能性があります。パルサーが質量の99パーセント以上を剥ぎ取った後の白色矮星の残骸であると考えられています。^{[ 2 ] [ 24 ] [ 25 ]}

もう一つの惑星、55 Cancri e は、地球と同様に太陽のような恒星を周回する岩石惑星であるが、半径が2倍、質量が8倍あるため、「スーパーアース」と呼ばれている。2012年にこの惑星を発見した研究者たちは、炭素が豊富であり、ダイヤモンドが豊富に含まれている可能性が高いと結論付けた。^{[ 26 ]}しかし、恒星の化学組成を複数の方法で測定した後の分析では、恒星には炭素よりも酸素が25パーセント多く含まれていることが示された。このことから、この惑星自体が炭素惑星である可能性は低い。^{[ 27 ]}