Außerirdische Diamanten - Extraterrestrial diamonds

Obwohl Diamanten auf der Erde selten sind, sind außerirdische Diamanten (Diamanten, die außerhalb der Erde gebildet wurden) sehr verbreitet. Diamanten, die so winzig sind, dass sie nur etwa 2000 Kohlenstoffatome enthalten, sind in Meteoriten reichlich vorhanden und einige von ihnen wurden in Sternen gebildet, bevor das Sonnensystem existierte. Hochdruckexperimente deuten darauf hin, dass auf den Eisriesenplaneten Uranus und Neptun große Mengen an Diamanten aus Methan gebildet werden , während einige Planeten in anderen Planetensystemen fast aus reinem Diamant bestehen könnten. Diamanten kommen auch in Sternen vor und waren möglicherweise das erste Mineral, das sich jemals gebildet hat.

Meteoriten

Künstlerische Vorstellung einer Vielzahl winziger Diamanten neben einem heißen Stern.

1987 untersuchte ein Team von Wissenschaftlern einige primitive Meteoriten und fand Diamantkörner mit einem Durchmesser von etwa 2,5 Nanometern ( Nanodiamanten ). Darin eingeschlossen waren Edelgase, deren Isotopensignatur darauf hinwies, dass sie von außerhalb des Sonnensystems stammten . Analysen weiterer primitiver Meteoriten fanden auch Nanodiamanten. Die Aufzeichnungen über ihre Ursprünge wurden trotz einer langen und gewalttätigen Geschichte bewahrt, die begann, als sie von einem Stern in das interstellare Medium ausgestoßen wurden , die Bildung des Sonnensystems durchliefen , in einen planetarischen Körper eingebaut wurden, der später in Meteoriten zerbrochen wurde, und stürzte schließlich auf die Erdoberfläche.

In Meteoriten machen Nanodiamanten etwa 3 Prozent des Kohlenstoffs und 400 Teile pro Million der Masse aus. Körner aus Siliziumkarbid und Graphit weisen auch anomale Isotopenmuster auf. Zusammen sind sie als präsolare Körner oder Sternenstaub bekannt und ihre Eigenschaften beschränken Modelle der Nukleosynthese in Riesensternen und Supernovae .

Es ist unklar, wie viele Nanodiamanten in Meteoriten wirklich von außerhalb des Sonnensystems stammen. Nur ein sehr kleiner Teil davon enthält Edelgase präsolaren Ursprungs und konnte bis vor kurzem nicht einzeln untersucht werden. Im Durchschnitt entspricht das Verhältnis von Kohlenstoff-12 zu Kohlenstoff-13 dem der Erdatmosphäre, während das von Stickstoff-14 zu Stickstoff-15 der Sonne entspricht . Techniken wie die Atomsondentomographie werden es ermöglichen, einzelne Körner zu untersuchen, aber aufgrund der begrenzten Anzahl von Atomen ist die Isotopenauflösung begrenzt.

Wenn sich die meisten Nanodiamanten im Sonnensystem gebildet haben, stellt sich die Frage, wie dies möglich ist. Auf der Oberfläche der Erde , Graphit ist das stabile Kohlenmineral während größere Diamanten können nur in der Art von Temperaturen und Drücken gebildet werden , die tief in denen gefunden werden , Mantel . Nanodiamanten sind jedoch nahe an molekularer Größe: Einer mit einem Durchmesser von 2,8 nm, der mittleren Größe, enthält etwa 1800 Kohlenstoffatome. Bei sehr kleinen Mineralien ist die Oberflächenenergie wichtig und Diamanten sind stabiler als Graphit, da die Diamantstruktur kompakter ist. Der Stabilitätsübergang liegt zwischen 1 und 5 nm. In noch kleineren Größen findet man eine Vielzahl anderer Kohlenstoffformen wie Fullerene sowie mit Fullerenen umhüllte Diamantkerne.

Die kohlenstoffreichsten Meteoriten mit einer Häufigkeit von bis zu 7 Gewichtsteilen pro Tausend sind Ureolithe . Diese haben keine bekannte Muttergesellschaft und ihre Herkunft ist umstritten. Diamanten kommen häufig in stark geschockten Ureliten vor, und die meisten sind vermutlich entweder durch den Schock des Aufpralls auf die Erde oder auf andere Körper im Weltraum entstanden. Viel größere Diamanten wurden jedoch in Fragmenten eines Meteoriten namens Almahata Sitta gefunden, der in der nubischen Wüste des Sudan gefunden wurde . Sie enthielten Einschlüsse von eisen- und schwefelhaltigen Mineralien, die ersten Einschlüsse, die in außerirdischen Diamanten gefunden wurden. Sie wurden auf 4,5 Milliarden Jahre alte Kristalle datiert und bei Drücken von mehr als 20 Gigapascal gebildet. Die Autoren einer Studie aus dem Jahr 2018 kamen zu dem Schluss, dass sie von einem nicht mehr intakten Protoplaneten mit einer Größe zwischen Mond und Mars stammen müssen.

Infrarotemissionen aus dem Weltraum, die vom Infrared Space Observatory und dem Spitzer Space Telescope beobachtet wurden , haben deutlich gemacht, dass kohlenstoffhaltige Moleküle im Weltraum allgegenwärtig sind. Dazu gehören polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), Fullerene und Diamantoide (Kohlenwasserstoffe mit der gleichen Kristallstruktur wie Diamant). Wenn Staub im Weltraum eine ähnliche Konzentration hat, würde ein Gramm davon bis zu 10 Billiarden davon tragen, aber bisher gibt es wenig Beweise für ihre Anwesenheit im interstellaren Medium; sie sind schwer von Diamantoiden zu unterscheiden.

Eine Studie aus dem Jahr 2014 unter der Leitung von James Kennett von der University of California Santa Barbara identifizierte eine dünne Schicht von Diamanten, die über drei Kontinente verteilt ist. Dies stützte eine umstrittene Hypothese, dass eine Kollision eines großen Kometen mit der Erde vor etwa 13.000 Jahren das Aussterben der Megafauna in Nordamerika verursachte und der Clovis-Kultur während der Jüngeren Dryas-Periode ein Ende machte . Die gemeldeten Nanodiamant-Daten werden von einigen als der stärkste physikalische Beweis für ein Einschlag-/Bolidenereignis von Younger Dryas angesehen. Diese Studie war jedoch stark fehlerhaft und basierte auf fragwürdigen und unzuverlässigen Methoden, um die Häufigkeit von Nanodiamanten in den Sedimenten zu messen. Darüber hinaus sind die meisten der gemeldeten „Nanodiamanten“ an der jüngeren Dryas-Grenze überhaupt keine Diamanten, sondern werden als umstrittener „N-Diamant“ gemeldet. Die Verwendung von „n-Diamant“ als Aufprallmarker ist aufgrund des Vorhandenseins von nativen Cu-Nanokristallen in Sedimenten problematisch, die leicht mit „n-Diamant“ verwechselt werden können, sollte diese umstrittene Kohlenstoffphase überhaupt existieren.

Planeten

Sonnensystem

Uranus , aufgenommen von Voyager 2 im Jahr 1986.

1981 schrieb Marvin Ross einen Artikel mit dem Titel "Die Eisschicht in Uranus und Neptun – Diamanten am Himmel?" in dem er vorschlug, dass im Inneren dieser Planeten riesige Mengen an Diamanten gefunden werden könnten. Bei Lawrence Livermore hatte er Daten aus der Stoßwellenkompression von Methan (CH 4 ) analysiert und festgestellt, dass der extreme Druck das Kohlenstoffatom vom Wasserstoff trennte und es freisetzte, um Diamant zu bilden.

Theoretische Modellierungen von Sandro Scandolo und anderen sagten voraus, dass sich Diamanten bei Drücken über 300 Gigapascal (GPa) bilden würden, aber selbst bei niedrigeren Drücken würde Methan zerstört und Kohlenwasserstoffketten bilden. Hochdruckexperimente an der University of California Berkeley mit einer Diamantambosszelle fanden beide Phänomene bei nur 50 GPa und einer Temperatur von 2500 Kelvin, was einer Tiefe von 7000 Kilometern unter den Wolkenspitzen von Neptun entspricht. Bei einem anderen Experiment am Geophysikalischen Labor wurde Methan bei nur 7 GPa und 2000 Kelvin instabil. Nach der Formung würden dichtere Diamanten sinken. Dieser "Diamantregen" würde potentielle Energie in Wärme umwandeln und dazu beitragen, die Konvektion anzutreiben , die das Magnetfeld von Neptun erzeugt.

Es gibt einige Unsicherheiten, wie gut die experimentellen Ergebnisse auf Uranus und Neptun zutreffen. Wasser und Wasserstoff gemischt mit dem Methan können die chemischen Reaktionen verändern. Ein Physiker des Fritz-Haber-Instituts in Berlin zeigte, dass der Kohlenstoff auf diesen Planeten nicht genug konzentriert ist, um von Grund auf Diamanten zu bilden. Ein Vorschlag, dass sich Diamanten auch in Jupiter und Saturn bilden könnten, wo die Kohlenstoffkonzentration weitaus geringer ist, wurde als unwahrscheinlich angesehen, da sich die Diamanten schnell auflösen würden.

Experimente zur Umwandlung von Methan in Diamanten fanden schwache Signale und erreichten nicht die in Uranus und Neptun erwarteten Temperaturen und Drücke. Ein kürzlich durchgeführtes Experiment nutzte jedoch eine Schockerhitzung durch Laser, um Temperaturen und Drücke zu erreichen, die in einer Tiefe von 10.000 Kilometern unter der Oberfläche von Uranus erwartet werden. Bei Polystyrol wurde fast jedes Kohlenstoffatom des Materials innerhalb einer Nanosekunde in Diamantkristalle eingebaut.

Extrasolar

Auf der Erde ist die natürliche Form von Siliziumkarbid ein seltenes Mineral, Moissanit .

Im Sonnensystem bestehen die Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars zu 70 bis 90 Masse-% aus Silikaten. Im Gegensatz dazu können Sterne mit einem hohen Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff von Planeten umkreist werden, die hauptsächlich aus Karbiden bestehen, wobei das häufigste Material Siliziumkarbid ist . Dieses hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine geringere Wärmeausdehnung als Silikate. Dies würde zu einer schnelleren konduktiven Abkühlung in der Nähe der Oberfläche führen, aber weiter unten könnte die Konvektion mindestens so stark sein wie bei Silikatplaneten.

Ein solcher Planet ist PSR J1719-1438 b , Begleiter eines Millisekundenpulsars . Es hat eine mindestens doppelt so hohe Dichte wie Blei und kann hauptsächlich aus ultradichtem Diamant bestehen. Es wird angenommen, dass es sich um den Überrest eines Weißen Zwergs handelt, nachdem der Pulsar mehr als 99 Prozent seiner Masse entfernt hatte.

Ein anderer Planet, 55 Cancri e , wurde als "Super-Erde" bezeichnet, weil er wie die Erde ein felsiger Planet ist, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist, aber den doppelten Radius und die achtfache Masse hat. Die Forscher, die es 2012 entdeckten, kamen zu dem Schluss, dass es kohlenstoffreich ist, was eine Fülle von Diamanten wahrscheinlich macht. Spätere Analysen mit mehreren Messungen der chemischen Zusammensetzung des Sterns zeigten jedoch, dass der Stern 25 Prozent mehr Sauerstoff als Kohlenstoff enthält. Dies macht es weniger wahrscheinlich, dass der Planet selbst ein Kohlenstoffplanet ist.

Sterne

Es wurde vorgeschlagen, dass Diamanten in kohlenstoffreichen Sternen vorkommen, insbesondere in Weißen Zwergen; und carbonado , eine polykristalline Mischung aus Diamant, Graphit und amorphem Kohlenstoff und die härteste natürliche Form von Kohlenstoff, könnte von Supernovae und Weißen Zwergen stammen . Der Weiße Zwerg, BPM 37093 , der sich 50 Lichtjahre (4,7 × 10 14  km) entfernt im Sternbild Centaurus befindet und einen Durchmesser von 4.000 km hat, könnte einen Diamantkern haben, der den Spitznamen Lucy erhielt . Wenn ja, wäre dieser gigantische Diamant einer der größten im Universum.

2008 veröffentlichten Robert Hazen und Kollegen von der Carnegie Institution in Washington, DC ein Papier mit dem Titel "Mineral Evolution", in dem sie die Geschichte der Mineralbildung untersuchten und feststellten, dass sich die Vielfalt der Minerale im Laufe der Zeit mit den sich ändernden Bedingungen verändert hat. Vor der Entstehung des Sonnensystems waren nur wenige Mineralien vorhanden, darunter Diamanten und Olivin . Die ersten Mineralien könnten kleine Diamanten gewesen sein, die in Sternen gebildet wurden, da Sterne reich an Kohlenstoff sind und Diamanten sich bei einer höheren Temperatur bilden als jedes andere bekannte Mineral.

Siehe auch

Verweise