海王星の「ダイヤモンドの雨」を新たな手法で解析

ボイジャー2号が撮影した海王星 Credit: NASA / JPL / Voyager-ISS / Justin Cowart

＜海王星や天王星では、超高熱・超高圧によって炭素が圧縮し「ダイヤモンドの雨」のように核に向かって奥深く沈んでいくと考えられてきたが、ドイツの研究チームはさらに研究をすすめた......＞

太陽系において、海王星と天王星は、いまだ多くの謎に包まれている。これらの惑星は、水やメタン、アンモニアなど、氷のような物質の高温かつ高密度な流体が核を覆っていることから、「天王星型惑星（巨大氷惑星）」に区分される。

太陽系には、海王星や天王星のような天王星型惑星に対して、木星や土星のようにガス成分が多く、比較的密度が低い「木星型惑星」があるが、銀河系では天王星型惑星のほうが多く、アメリカ航空宇宙局（NASA）によると、その数は木星型惑星の10倍だという。それゆえ、太陽系の天王星型惑星を解明することは、銀河系の惑星の研究においても不可欠だ。

海王星や天王星では、地下数千キロの超高熱・超高圧によって炭化水素化合物が分解され、炭素が圧縮してダイヤモンドになり、「ダイヤモンドの雨」のように核に向かって奥深く沈んでいくと考えられてきた。

超高温かつ超高圧の天王星型惑星の内部を再現

独ドレスデン-ロッセンドルフ研究所（HZDR）、米SLAC国立加速器研究所らの研究チームは、2017年8月に発表した研究論文で、SLAC国立加速器研究所のLCLS（線形加速器コヒーレント光源）のX線レーザーを用いて超高温かつ超高圧の天王星型惑星の内部を再現し、ダイヤモンドの雨が降る現象を初めて実証した。

この実証実験では、X線回折を用いてダイヤモンドの構造を示そうと試みたが、明らかにできたのは結晶構造を持つ物質のみであった。そこで、　研究チームはさらに研究をすすめ、2020年5月26日に「ネイチャー・コミュニケーションズ」で発表した研究論文で、X線のトムソン散乱（自由電子による散乱）により、これまで明らかにできなかった物質をも解明できることを示した。

この新たな実証実験では、深さ約1万キロの海王星の内部を再現するべく、メタンの代わりにポリエチレン（C8H8）を用い、高エネルギーなレーザーのパルスでポリエチレンの中で衝撃波を生成させ、150ギガパスカルの圧力と摂氏5000度の熱でポリエチレンを超高圧高温の物質（WDM）に変換させた。

研究チームは、X線がポリエチレンの電子からどのように散乱するかを測定することで、炭素からダイヤモンドへの変換を観測できたのみならず、その他のものが水素に分かれていくことも確認した。高圧によって炭化水素が炭素と水素に分かれ、放出された炭素原子がダイヤモンド構造に圧縮されたという。

惑星の進化史を研究する新たな手法

海王星や天王星では、これらのダイヤモンドは周囲の物質よりも重く、ダイヤモンドの雨となって核に向かって沈み込んでいく。この過程で周りの物質との摩擦が生じ、熱が生成されていると考えられる。

研究論文の責任著者でドレスデン-ロッセンドルフ研究所のドミニク・クラウス博士は「この手法は、再現しづらいプロセスの測定に役立つ」と評価し、「たとえば、木星や土星といった木星型惑星の内部にある水素やヘリウムが、極限環境でどのように混合したり、分かれたりするのかを知ることができるだろう。惑星や惑星系の進化史を研究する新たな手法だ」と述べている。