นักวิทยาศาสตร์ใช้เลเซอร์รังสีเอกซ์สร้าง “ฝนเพชร” ในห้องทดลองสำเร็จแล้ว

เพชรพลอยจะกลายเป็นสิ่งไร้ค่าถ้าหากมันหล่นลงมาจากฟ้าเหมือนดั่งสายฝน แต่ปรากฎการณ์ “ฝนเพชร” เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเป็นเรื่องที่เกิดขึ้นตามปกติในดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์ (Ice Giant Planets) และตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ที่ห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอนุภาคแห่งชาติ (SLAC National Accelerator Laboratory) มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ได้ทำให้ฝนเพชรเกิดขึ้นจริงบนโลกได้สำเร็จเป็นครั้งแรก

ดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนที่เป็นดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์ในระบบสุริยะของเราถูกเชื่อกันมานานแล้วว่ามีสภาพเงื่อนไขที่เหมาะสมสำหรับการเกิดฝนเพชร รอบแกนกลางที่เป็นของแข็งมีชั้นของน้ำแข็งหลอมละลายเฉอะแฉะที่ไม่ได้มีแต่เพียงน้ำแข็งของน้ำเท่านั้น ยังมีน้ำแข็งแอมโมเนียและน้ำแข็งมีเทนรวมอยู่ด้วย สภาพแวดล้อมแบบนี้กับความกดดันมหาศาลของดาวจะบีบอนุภาคไฮโดรเจนและคาร์บอนให้กลายเป็นเพชร แล้วตกลงไปคล้ายกับฝนสู่แกนกลางของดวงดาว

แต่ปรากฏการณ์นี้ยังไม่เคยถูกพบเห็นโดยตรง ความคิดนี้เป็นผลมาจากการวัดค่ามวลและรัศมีของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะซึ่งเกี่ยวเนื่องกับองค์ประกอบของมัน จากตรงนั้นนักดาราศาสตร์สามารถคิดคำนวณว่าอนุภาคเหล่านั้นจะมีปฏิกิริยาและแสดงลักษณะพิเศษของดาวเคราะห์อย่างไร

“สำหรับดาวเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างมวลและรัศมีสามารถบอกนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีได้มากทีเดียว” Dominik Kraus หัวหน้าทีมวิจัยเรื่องนี้กล่าว “และคุณสมบัติทางเคมีที่เกิดขึ้นภายในดาวเคราะห์สามารถให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับลักษณะบางอย่างของดาวเคราะห์ได้ เราไม่สามารถเข้าไปข้างในดาวเคราะห์และมองดูมันได้ ดังนั้นการทดลองในห้องปฏิบัติการนี้จึงได้เติมเต็มการสังเกตการณ์จากกล้องโทรทรรศน์”

เพื่อสร้างสภาพแวดล้อมคล้ายกับดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์ ทีมวิจัยใช้โฟมโพลีสไตรีนซึ่งทำจากมีเทนที่เป็นองค์ประกอบหลักในบรรยากาศของดาวน้ำแข็งยักษ์ จากนั้นนักวิจัยได้ทำการระเบิดโฟมด้วยเลเซอร์รังสีเอกซ์ที่มีพลังมากที่สุดในโลกด้วยเครื่องมือที่เรียกว่า Linac Coherent Light Source (LCLS) ซึ่งส่งคลื่นกระแทก (Shock Wave) ไปที่โฟมเป็นระลอกแบบคลื่นคู่ คลื่นแรกจะเล็กและช้าทำให้คลื่นที่สองไล่ตามมาทัน

ในช่วงเวลาสั้นๆที่คลื่นกระแทกทั้งสองซ้อนทับกัน ความดันสูงสุดได้บดอะตอมคาร์บอนในโฟมเกือบทั้งหมดกลายเป็นเพชรเม็ดเล็กๆขนาดไม่กี่นาโนเมตร น่าเสียดายที่มันมีอายุสั้นมากเพียงแค่เศษเสี้ยวของวินาที ด้วยเหตุนี้การทดลองแบบอื่นที่พยายามสร้างฝนเพชรจึงไม่สามารถที่จะเห็นมันได้โดยตรง แต่สำหรับในการทดลองนี้เลเซอร์ความเข้มสูงได้ทำให้สามารถถ่ายภาพเอกซเรย์ และวัดขนาดและองค์ประกอบของมันได้

“ในการทดลองครั้งนี้เรามีเครื่อง LCLS ที่เป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่สว่างที่สุดในโลก” Siegfried Glenzer หนึ่งในทีมวิจัยกล่าว “คุณจำเป็นจะต้องมีรังสีเอกซเรย์ที่เร็วและเข้มข้นเพื่อเห็นโครงสร้างของเพชรเหล่านี้ได้อย่างชัดเจน เพราะมันเกิดขึ้นในห้องแล็บเพียงช่วงเวลาที่สั้นมากๆ”

ขณะที่เพชรที่สร้างขึ้นในห้องแล็บมีขนาดเล็กและอายุสั้นมาก แต่นักวิจัยเชื่อว่าเพชรที่เกิดภายในดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนจะใหญ่กว่ามาก อาจจะหนักหลายล้านกะรัตและมีอายุอยู่ได้หลายพันปี เพราะมันค่อยๆจมลงอย่างช้าๆผ่านชั้นเปลือกดาวที่เฉอะแฉะและทำให้เกิดชั้นหนาของเพชรรอบแกนกลาง

นอกจากทำให้เราได้เข้าใจองค์ประกอบของดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์ได้ดีขึ้นแล้ว งานวิจัยนี้ยังสามารถประยุกต์ใช้กับเรื่องอื่นได้อีก ทีมวิจัยบอกว่าการสร้างเพชรนาโนด้วยเลเซอร์มีประสิทธิภาพดีกว่าวิธีการใช้วัตถุระเบิดที่ใช้กันในปัจจุบัน และเพชรที่ได้ก็ใช้เป็นชิ้นส่วนอิเล็คทรอนิกส์และเครื่องมือวิทยาศาสตร์ได้เป็นอย่างดี

 

ข้อมูลและภาพจาก  stanford.edu, newatlas