Mimozemské diamanty - Extraterrestrial diamonds

Ačkoli diamanty na Země jsou vzácné, mimozemské diamanty (diamanty vytvořené mimo Zemi) jsou velmi časté. Bohaté jsou diamanty tak malé, že obsahují v průměru jen zhruba 2 000 atomů uhlíku meteority a některé z nich se formovaly ve hvězdách před ... Sluneční Soustava existoval.[1] Experimenty pod vysokým tlakem naznačují, že se tvoří velké množství diamantů metan na ledových obřích planetách Uran a Neptune, zatímco některé planety na jiných planetární systémy může být téměř čistý diamant.[2] Diamanty se také nacházejí ve hvězdách a mohly být první minerální kdy vznikly.

Meteority

Umělcova koncepce velkého množství drobných diamantů vedle horké hvězdy.

V roce 1987 tým vědců zkoumal některé primitivní meteority a našli zrnka diamantu o průměru asi 2,5 nanometru (nanodiamantů ). Byli v nich uvězněni vzácné plyny jehož izotopový podpis naznačil, že přišli zvenčí Sluneční Soustava. Analýzy dalších primitivních meteoritů také nalezly nanodiamant. Záznam o jejich původu se zachoval navzdory dlouhé a násilné historii, která začala, když byly vyhozeny z hvězdy do mezihvězdné médium, prošel formování sluneční soustavy, byly začleněny do planetárního tělesa, které bylo později rozděleno na meteority a nakonec havarovalo na zemském povrchu.[3]

V meteoritech tvoří nanodiamanty asi 3 procenta uhlíku a 400 dílů na milion hmotnosti.[4][3] Zrna z karbid křemíku a grafit mají také anomální izotopové vzorce. Společně jsou známí jako presolární zrna nebo hvězdný prach a jejich vlastnosti omezují modely nukleosyntéza v obří hvězdy a supernovy.[5]

Není jasné, kolik nanodiamantů v meteoritech je ve skutečnosti mimo sluneční soustavu. Pouze velmi malá část z nich obsahuje vzácné plyny presolárního původu a donedávna nebylo možné je studovat jednotlivě. V průměru poměr uhlík-12 na uhlík-13 odpovídá tomu Atmosféra Země zatímco to dusík-14 na dusík-15 odpovídá slunce. Techniky jako atomová sonda tomografie umožní zkoumání jednotlivých zrn, ale vzhledem k omezenému počtu atomů je izotopové rozlišení omezené.[5]

Pokud se ve sluneční soustavě vytvořila většina nanodiamantů, vyvstává otázka, jak je to možné. Na povrchu Země, grafit je stabilní uhlíkový minerál, zatímco větší diamanty lze tvořit pouze při teplotách a tlacích, které se nacházejí hluboko v plášť. Nanodiamanty se však blíží velikosti molekul: jedna o průměru 2,8 nm, střední velikosti, obsahuje asi 1 800 atomů uhlíku.[5] Ve velmi malých minerálech povrchová energie je důležité a diamanty jsou stabilnější než grafit, protože struktura diamantu je kompaktnější. Stabilita výhybky je mezi 1 a 5 nm. U ještě menších velikostí existuje řada dalších forem uhlíku, jako je fullereny lze nalézt stejně jako diamantová jádra zabalená do fullerenů.[3]

Nejvíce bohaté na uhlík jsou meteority s výskytem až 7 hmotnostních dílů na tisíc ureility.[6]:241 Tito nemají žádné známé mateřské tělo a jejich původ je kontroverzní.[7] Diamanty jsou běžné u vysoce šokovaných ureilitů a předpokládá se, že většina z nich byla vytvořena buď šokem z nárazu na Zemi, nebo do jiných těles ve vesmíru.[6][8]:264 Oveľa větší diamanty však byly nalezeny ve fragmentech zvaného meteoritu Almahata Sitta, nalezený v Núbijská poušť z Súdán. Obsahovaly inkluze minerálů obsahujících železo a síru, první inkluze nalezené v mimozemských diamantech.[9] Byly datovány na 4,5 miliardy let staré krystaly a byly vytvořeny při tlacích vyšších než 20 gigapascalů. Autoři studie z roku 2018 dospěli k závěru, že museli pocházet z protoplanety, která již není neporušená a měla velikost mezi měsícem a Marsem.[10][11]

Infračervené emise z vesmíru pozorované Infračervená vesmírná observatoř a Spitzerův kosmický dalekohled objasnil, že molekuly obsahující uhlík jsou ve vesmíru všudypřítomné. Tyto zahrnují polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), fullereny a diamanty (uhlovodíky, které mají stejnou krystalovou strukturu jako diamant).[3] Pokud má prach ve vesmíru podobnou koncentraci, jeho gram by unesl až 10 kvadrillionů z nich,[4] ale zatím existuje jen málo důkazů o jejich přítomnosti v mezihvězdném prostředí; je těžké je odlišit od diamantoidů.[3]

Studie z roku 2014 vedená Jamesem Kennettem na Kalifornská univerzita v Santa Barbaře identifikoval tenkou vrstvu diamantů rozloženou na třech kontinentech. To poskytlo podporu sporné hypotéze, že srážka velké komety se Zemí asi před 13 000 lety způsobila vyhynutí megafauna v Severní Amerika a ukončit Clovisova kultura během období mladšího dryasu.[12][13][14][15][16] Hlášené údaje o nanodiamantech jsou některými považovány za nejsilnější fyzický důkaz pro událost dopadu / bolidu Younger Dryas. Tato studie však byla vážně chybná a byla založena na sporných a nespolehlivých metodách měření množství nanodiamantů v sedimentech. Navíc většina uváděných „nanodiamantů“ na hranici Younger Dryas vůbec není diamant, ale spíše je označována jako kontroverzní „n-diamant“. Použití „n-diamantu“ jako markeru nárazu je problematické vzhledem k přítomnosti nativních Cu nanokrystalů v sedimentech, které lze snadno zaměnit za „n-diamant“, pokud by tato kontroverzní uhlíková fáze vůbec existovala.[17][18]

Planety

Sluneční Soustava

Uran, zobrazeno Voyager 2 v roce 1986.

V roce 1981 napsal Marvin Ross dokument s názvem „Ledová vrstva na Uranu a Neptunu - diamanty na obloze?“ ve kterém navrhl, aby se uvnitř těchto planet nacházelo obrovské množství diamantů. Na Lawrence Livermore, analyzoval data z komprese rázových vln z metan (CH4) a zjistili, že extrémní tlak oddělil atom uhlíku od vodíku a uvolnil jej tak, aby vytvořil diamant.[19][20]

Teoretické modelování Sandra Scandola a dalších předpovídalo, že se diamanty budou tvořit při tlacích přes 300 gigapascaly (GPa), ale i při nižších tlacích by byl metan narušen a vytvořil by řetězce uhlovodíků. Vysokotlaké experimenty na University of California Berkeley používat buňka diamantové kovadliny našel oba jevy pouze na 50 GPa a teplotě 2500 kelvinů, což odpovídá hloubkám 7000 kilometrů pod vrcholky mraků Neptunu. Další experiment v geofyzikální laboratoři viděl, že metan je nestabilní pouze při 7 GPa a 2 000 kelvinech. Po zformování by hustší diamanty klesly. Tento „diamantový déšť“ by se změnil potenciální energie do teplo a pomáhat řídit proudění který generuje magnetické pole Neptuna.[21][19][22]

Existují určité nejistoty, jak dobře se experimentální výsledky vztahují na Uran a Neptun. Voda a vodík smíchané s methanem mohou změnit chemické reakce.[21] Fyzik na Institut Fritze Habera v Berlín ukázal, že uhlík na těchto planetách není dostatečně koncentrovaný na to, aby od nuly vytvořil diamanty. Návrh, že se diamanty mohou také tvořit v Jupiteru a Saturnu, kde je koncentrace uhlíku mnohem nižší, byl považován za nepravděpodobný, protože diamanty by se rychle rozpustily.[23]

Experimenty hledající přeměnu metanu na diamanty nalezly slabé signály a nedosahovaly očekávaných teplot a tlaků na Uranu a Neptunu. Nedávný experiment však použil šokový ohřev laserem k dosažení teplot a tlaků očekávaných v hloubce 10 000 kilometrů pod povrchem Uranu. Když to udělali polystyren, téměř každý atom uhlíku v materiálu byl začleněn do diamantových krystalů během nanosekundy.[24][25]

Extrasolární

Hlavní článek: Uhlíková planeta
Na Zemi je přírodní forma karbidu křemíku vzácným minerálem, moissanit.[26]

Ve sluneční soustavě tvoří 70% až 90% skalních planet (Venuše, Země a Mars) silikáty. Naproti tomu hvězdy s vysokým poměrem uhlíku k kyslíku mohou obíhat planety, které jsou většinou karbidy, přičemž nejběžnějším materiálem je karbid křemíku. To má vyšší tepelnou vodivost a nižší tepelnou roztažnost než silikáty. To by vedlo k rychlejšímu vodivému ochlazení v blízkosti povrchu, ale dolní konvekce by mohla být přinejmenším stejně silná jako u křemičitých planet.[27]

Jedna taková planeta je PSR J1719-1438 b, společník a milisekundový pulzar. Má hustotu nejméně dvakrát větší než hustota Vést, a mohou být složeny převážně z ultrahustého diamantu. Předpokládá se, že je pozůstatkem a bílý trpaslík poté, co pulzar odstranil více než 99 procent své hmotnosti.[2][28][29]

Jiná planeta, 55 Cancri e, byla nazývána „superzemě“, protože stejně jako Země je to skalnatá planeta obíhající kolem hvězdy podobné slunci, ale má dvakrát větší poloměr a osmkrát větší hmotnost. Vědci, kteří jej objevili v roce 2012, dospěli k závěru, že je bohatý na uhlík, takže je pravděpodobné, že bude mít dostatek diamantů.[30] Pozdější analýzy využívající několik opatření pro chemické složení hvězdy však ukázaly, že hvězda má o 25 procent více kyslíku než uhlík. Díky tomu je méně pravděpodobné, že samotná planeta je uhlíková planeta.[31]

Hvězdy

Bylo navrženo, že diamanty existují ve hvězdách bohatých na uhlík, zejména v bílých trpaslících; a carbonado, a polykrystalický směs diamantu, grafitu a amorfní uhlík a nejtvrdší přírodní forma uhlíku,[32] mohl pocházet supernovy a bílí trpaslíci.[33] Bílý trpaslík, BPM 37093, který se nachází 50 světelných let (4.7×1014 km) v souhvězdí Kentaur a o průměru 4 000 km může mít diamantové jádro, které bylo přezdíváno Lucie. Tento obrovský diamant je pravděpodobně jedním z největších ve vesmíru.[34][35]

V roce 2008, Robert Hazen a kolegové v Carnegie Institution v Washington DC. publikovali článek „Minerální evoluce“, ve kterém zkoumali historii vzniku minerálů a zjistili, že rozmanitost minerálů se postupem času změnila, jak se změnily podmínky. Před vytvořením sluneční soustavy bylo přítomno pouze malé množství minerálů, včetně diamantů a olivín.[36][37] Prvními minerály mohly být malé diamanty vytvořené ve hvězdách, protože hvězdy jsou bohaté na uhlík a diamanty se tvoří při vyšší teplotě než jakýkoli jiný známý minerál.[38]

Viz také

Reference

  1. ^ Daulton, T. L. (2006). „Mimozemské nanodiamanty ve vesmíru“. (Kapitola II) v publikaci „Ultrananocrystalline Diamond: Synthesis, Properties, and Applications“ redaktoři O. Shenderova a D. Gruen. 23–78.
  2. ^ A b Max Planck Institute for Radio Astronomy (25. srpna 2011). „Planeta vyrobená z diamantu“. Astronomický časopis. Citováno 25. září 2017.
  3. ^ A b C d E Tielens, A. G. G. M. (12. července 2013). „Molekulární vesmír“. Recenze moderní fyziky. 85 (3): 1021–1081. Bibcode:2013RvMP ... 85.1021T. doi:10.1103 / RevModPhys.85.1021.
  4. ^ A b Vu, Linda (26. února 2008). „Spitzerovy oči ideální pro pozorování diamantů na obloze“. Novinky JPL. Laboratoř tryskového pohonu. Citováno 23. září 2017.
  5. ^ A b C Davis, A. M. (21. listopadu 2011). „Hvězdný prach v meteoritech“. Sborník Národní akademie věd. 108 (48): 19142–19146. Bibcode:2011PNAS..10819142D. doi:10.1073 / pnas.1013483108. PMC  3228455. PMID  22106261.
  6. ^ A b Kallenbach, R .; Encrenaz, Thérèse; Geiss, Johannes; Mauersberger, Konrad; Owen, Tobias; Robert, François, eds. (2003). Historie sluneční soustavy z isotopových podpisů těkavých prvků Objem vyplývající z workshopu ISSI 14. – 18. Ledna 2002, Bern, Švýcarsko. Dordrecht: Springer Nizozemsko. ISBN  9789401001458.
  7. ^ „Ureiliti“. Laboratoř meteoritů v severní Arizoně. Severní arizonská univerzita. Citováno 23. dubna 2018.
  8. ^ Hutchison, Robert (2006). Meteority: petrologická, chemická a izotopová syntéza. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN  9780521035392.
  9. ^ Gibbens, Sarah (17. dubna 2018). „Diamanty z vesmíru vznikly uvnitř dávno ztracené planety“. národní geografie. Citováno 23. dubna 2018.
  10. ^ Salazar, Doris Elin (18. dubna 2018). „Diamanty v meteoritu mohou pocházet ze ztracené planety“. Scientific American. Citováno 23. dubna 2018.
  11. ^ Nabiei, Farhang; Badro, James; Dennenwaldt, Teresa; Oveisi, Emad; Cantoni, Marco; Hébert, Cécile; El Goresy, Ahmed; Barrat, Jean-Alix; Gillet, Philippe (17. dubna 2018). „Velké planetární těleso odvozené z diamantových inkluzí v ureilitovém meteoritu“. Příroda komunikace. 9 (1): 1327. Bibcode:2018NatCo ... 9.1327N. doi:10.1038 / s41467-018-03808-6. PMC  5904174. PMID  29666368.
  12. ^ Cohen, Julie (13. dubna 2017). „Zmrazila kometa, která zabila mamuty? - Budoucnost“. Budoucnost. Citováno 23. září 2017.
  13. ^ Roach, John (23. června 2010). „Houby, výkaly, kometa nezabila savce doby ledové?“. národní geografie. Citováno 23. září 2017.
  14. ^ Cohen, Julie (27. srpna 2014). „Studie zkoumá 13 000 let staré nanodiamanty z různých míst na třech kontinentech“. Phys.org. Citováno 23. září 2017.
  15. ^ Pinter, N .; Scott, A. C .; Daulton, T. L .; Podoll, A .; Koeberl, C .; Anderson, R. S .; Ishman, S.E. (2011). „Hypotéza dopadu Younger Dryas: Rekviem“. Recenze vědy o Zemi. 106 (3–4). 247–264.
  16. ^ van Hoesel, A .; Hoek, W. Z .; Pennock, G. M .; Drury, M. R. (2014). „Hypotéza dopadu Younger Dryas: kritický přezkum“. Kvartérní vědecké recenze. 83 (1). str. 95–114.
  17. ^ Daulton, T. L .; Amari, S .; Scott, A .; Hardiman, M .; Pinter, N .; Anderson, R.S. (2017). „Komplexní analýza nanodiamantových důkazů vztahujících se k hypotéze dopadu Younger Dryas“. Journal of Quaternary Science. 32 (1). s. 7–34.
  18. ^ Daulton, T. L .; Amari, S .; Scott, A .; Hardiman, M .; Pinter, N .; Anderson, R.S. (2017). „Pršely nanodiamantové z nebe, když jim po stopách po Severní Americe padli vlní mamuti po Severní Americe před 12 900 lety?“. Mikroskopie a mikroanalýza. 23 (1). str. 2278–2279.
  19. ^ A b Scandolo, Sandro; Jeanloz, Raymond (Listopad – prosinec 2003). „Centra planet: V laboratořích a počítačích se šokovaná a vymačkaná hmota změní na kovovou, vykašle se na diamanty a odhalí rozpálený střed Země“. Americký vědec. 91 (6): 516–525. Bibcode:2003AmSci..91..516S. doi:10.1511/2003.38.905. JSTOR  27858301.
  20. ^ Ross, Marvin (30. července 1981). „Ledová vrstva na Uranu a Neptunu - diamanty na obloze?“. Příroda. 292 (5822): 435–436. Bibcode:1981Natur.292..435R. doi:10.1038 / 292435a0. S2CID  4368476.
  21. ^ A b Kerr, R. A. (1. října 1999). „Neptun může rozdrtit metan do diamantů“. Věda. 286 (5437): 25. doi:10.1126 / science.286.5437.25a. PMID  10532884. S2CID  42814647.
  22. ^ Kaplan, Sarah (25. srpna 2017). „Na Uran a Neptun prší pevné diamanty“. Washington Post. Citováno 16. října 2017.
  23. ^ McKee, Maggie (9. října 2013). "Předpověď diamantového mrholení pro Saturn a Jupiter". Zprávy o přírodě. doi:10.1038 / příroda.2013.13925. S2CID  124933499.
  24. ^ Cartier, Kimberly (15. září 2017). „Diamanty opravdu prší na Neptunu, závěry experimentů“. Eos. doi:10.1029 / 2017EO082223.
  25. ^ Kraus, D .; et al. (Září 2017). „Tvorba diamantů v laserem stlačených uhlovodících za planetárních vnitřních podmínek“. Přírodní astronomie. 1 (9): 606–611. Bibcode:2017NatAs ... 1..606K. doi:10.1038 / s41550-017-0219-9. S2CID  46945778.
  26. ^ Di Pierro S .; Gnos E .; Grobety B.H .; Armbruster T .; Bernasconi S.M. & Ulmer P. (2003). „Horninotvorný moissanit (přírodní karbid α-křemíku)“. Americký mineralog. 88 (11–12): 1817–21. Bibcode:2003AmMin..88.1817D. doi:10.2138 / am-2003-11-1223. S2CID  128600868.
  27. ^ Nisr, C .; Meng, Y .; MacDowell, A. A .; Yan, J .; Prakapenka, V .; Shim, S.-H. (Leden 2017). „Tepelná roztažnost SiC při vysoké tlakové teplotě a důsledky pro tepelnou konvekci v hlubokých interiérech karbidových exoplanet“. Journal of Geophysical Research: Planets. 122 (1): 124–133. Bibcode:2017JGRE..122..124N. doi:10.1002 / 2016JE005158.
  28. ^ Perkins, Sid (25. srpna 2011). „Planet Planet obíhá Pulsar“. ScienceShots. Americká asociace pro rozvoj vědy. Citováno 25. září 2017.
  29. ^ Lemonick, Michael (26. srpna 2011). „Vědci objevují diamant velký jako planeta“. Čas. Citováno 2. září 2017.
  30. ^ Duffy, T. S .; Madhusudhan, N .; Lee, K.K.M. (2015). „2.07 Mineralogie superzemských planet“. V Gerald, Schubert (ed.). Pojednání o geofyzice. Elsevier. str. 149–178. ISBN  9780444538031.
  31. ^ Gannon, Megan (14. října 2013). "'Diamantová superzemská planeta nemusí být tak sexy “. ProfoundSpace.org. Citováno 25. září 2017.
  32. ^ Heaney, P. J .; Vicenzi, E. P .; De, S. (2005). „Strange Diamonds: The Mysterious Origins of Carbonado and Framesite“. Elementy. 1 (2): 85. doi:10.2113 / gselements.1.2.85. S2CID  128888404.
  33. ^ Shumilova, T.G .; Tkachev, S.N .; Isaenko, S.I .; Shevchuk, S.S .; Rappenglück, M.A .; Kazakov, V.A. (Duben 2016). „„ Diamantová hvězda “v laboratoři. Diamantové sklo“. Uhlík. 100: 703–709. doi:10.1016 / j.carbon.2016.01.068.
  34. ^ „Tento Valentýn, věnujte ženě, která má všechno, největší diamant galaxie“. Centrum pro astrofyziku. Citováno 5. května 2009.
  35. ^ „Lucy's in the Sky with Diamonds: Meet the nejdražší hvězda, která byla kdy nalezena“. Futurismus. 12. června 2014. Citováno 20. května 2019.
  36. ^ „Jak se horniny vyvíjejí“. Ekonom. 13. listopadu 2008. Citováno 26. září 2017.
  37. ^ Hazen, R. M .; Papineau, D .; Bleeker, W .; Downs, R. T .; Ferry, J. M .; McCoy, T. J .; Sverjensky, D. A .; Yang, H. (1. listopadu 2008). "Minerální vývoj". Americký mineralog. 93 (11–12): 1693–1720. Bibcode:2008AmMin..93.1693H. doi:10.2138 / am.2008.2955. S2CID  27460479.
  38. ^ Wei-Haas, Maya (13. ledna 2016). „Na Zemi se mohl společně vyvinout život a skály“. Smithsonian. Citováno 26. září 2017.