海王星や天王星の奥に近い圧力をかけると、プラスチックからダイヤモンドができた

「天王星や海王星の中では、ダイヤモンドの雨が降っている」。こんな話を聞いたことがあるかもしれません。この考えは、最近生まれたものではありません。1981年、研究者のマービン・ロス（Marvin Ross）が、科学誌ネイチャーに2ページの論文を出しました。題名は「天王星と海王星の氷の層――空にダイヤモンド？」です。題名の最後には、疑問符がついていました。

それから36年後の2017年、ドイツやアメリカ、日本などの研究所や大学の研究者たちが、この考えを実験で確かめようとしました。使ったのは、惑星の材料ではなく、プラスチックの薄い膜です。膜にレーザーで強い衝撃を与えると、ほんの一瞬のうちに、とても小さなダイヤモンドができました。

ただし、実験で分かったのは「ダイヤモンドができる」ところまでです。ダイヤモンドが雨のように惑星の奥へ沈んでいくところは、まだ誰も見ていません。

この記事では、まず天王星と海王星の中がどうなっていると考えられているかを紹介します。次に、2017年の実験で、誰が何をして、どんな結果が出たかを順に見ます。最後に、強く1回押すだけではダイヤモンドができなかった理由と、昔の実験との食い違いを説明します。

01天王星と海王星の重さの8割以上は、熱い液体になった水やメタン

NASAによると、天王星も海王星も、重さの80%以上が、熱くて濃い液体でできています。液体の材料は、水・メタン・アンモニアです。NASAは、これらをかっこつきで「氷のような」材料と呼んでいます。この液体の層の下には、小さな岩の核があると考えられています。

メタンは、炭素と水素でできた物質です。海王星の大気にも、メタンが少しだけ含まれています。

惑星の奥深くでは、上にある物の重さで、ものすごい圧力がかかります。温度も数千度に達します。そこでは、メタンのような炭素と水素の化合物が壊れて、炭素と水素が分かれるかもしれません。分かれた炭素は、ダイヤモンドになるかもしれません。これが「ダイヤモンドの雨」の考えのもとです。

2017年の論文によると、天王星や海王星のような惑星の中でダイヤモンドができるかどうかは、30年以上前から議論されてきました。でも、惑星の中には行けません。そこで、地上の実験室で、惑星の奥に似た状態を作ろうとしたのです。

02研究チームは、プラスチックの膜にレーザーで2回続けて衝撃を与えた

論文の最初に名前がのっている研究者は、ドイツのヘルムホルツ・ドレスデン・ロッセンドルフ研究所（HZDR）のドミニク・クラウス（Dominik Kraus）です。実験の場所は、アメリカのSLAC国立加速器研究所にある「LCLS」という施設です。LCLSは、とても強くて短いX線を出せる装置です。

材料には、ポリスチレンというプラスチックを使いました。ポリスチレンは、炭素と水素だけでできています。惑星の中のメタンなどの代わりにしたのです。膜の厚さは約0.08ミリでした。

研究チームは、この膜にレーザーを当てて、衝撃の波を起こしました。衝撃の波は膜の中を進み、膜をぎゅっと押しつぶします。最初に弱めのレーザーを約4.5ナノ秒当て、そのあとレーザーを強くしたのです。1ナノ秒は、10億分の1秒です。こうすると、弱い衝撃のあとに、強い衝撃が追いかけるように入ります。

研究チームのコンピューター計算では、2回の衝撃を受けた膜の中は、約150ギガパスカル、約5000ケルビンになりました。150ギガパスカルは、地上の空気の圧力の約148万倍です。5000ケルビンは、約4700℃です。論文は、この状態が、海王星や天王星の表面から約1万km下の環境に似ているとしています。

押しつぶされている最中の膜に、研究チームはX線を当てました。X線を出す時間は、1回わずか50フェムト秒です。1フェムト秒は、1000兆分の1秒です。原子がどう並んでいるかによって、X線がはね返る向きが変わります。はね返ったX線が作る模様を見れば、ダイヤモンドができたかどうかが分かります。

03ダイヤモンドは、レーザーを当て始めてから10億分の6秒ほどで現れた

レーザーを当て始めてから約6.2ナノ秒後、X線の模様に、ダイヤモンドがあることを示す形が現れ始めました。2回目の強い衝撃が膜に入るのと、ほぼ同じタイミングです。

できたダイヤモンドは、とても小さなものでした。X線の模様から、直径は4ナノメートル以上、100ナノメートルより小さいと分かりました。1ナノメートルは、100万分の1ミリです。SLACの発表によると、元のプラスチックにあった炭素原子のほとんどすべてが、小さなダイヤモンドの形に入っていました。

衝撃が膜を通り抜けると、押しつぶされていた膜は膨らみ始めます。レーザーを当て始めてから14.4ナノ秒後には、ダイヤモンドは地上のふつうの密度に戻っていました。押す力がなくなっても、ダイヤモンドは消えずに残っていたのです。

クラウスは発表の中で、「前は、ダイヤモンドができたと推測するしかなかった」と話しています。

研究チームは、本物の海王星や天王星では、ダイヤモンドがずっと大きく育つと予想しています。重さが数百万カラットになるかもしれない、というのです。カラットはダイヤモンドの重さの単位で、1カラットは0.2グラムです。そして、何千年もかけて氷の層の中をゆっくり沈み、中心の核のまわりに厚い層を作るかもしれません。ただし、ここから先は予想です。実験で見たのは、ダイヤモンドができる瞬間だけです。

042017年の実験では、プラスチックを1回だけ強く押しても、ダイヤモンドはできなかった

2017年の研究チームは、1回だけの強い衝撃でも試しました。圧力は、50〜180ギガパスカルの間で変えました。2回に分けたときと同じくらいの圧力までです。ところが、どの場合も、ダイヤモンドがあることを示す模様は出ませんでした。プラスチックは、原子がばらばらに並んだ液体のような状態のままでした。

論文は、その理由を温度で説明しています。1回の衝撃で同じ圧力まで一気に押すと、温度が上がりすぎるのです。ダイヤモンドが溶けてしまう温度より、ずっと高くなってしまいます。天王星や海王星の中で予想される温度よりも高くなります。

2回に分けると、事情が変わります。2回目の衝撃は、圧力を2〜3倍に上げました。でも、温度は約20%しか上げませんでした。こうして、「圧力はとても高いのに、ダイヤモンドが溶けるほどは熱くない」状態を作れたのです。

052022年には、ペットボトルと同じ種類のプラスチックでもダイヤモンドができた

2022年、HZDRなどの研究者たちが、続きの実験をしました。今度の材料は、PET（ペット）というプラスチックです。SLACの発表によると、PETは食品の包装やペットボトルなどに使われています。

PETは、炭素と水素に加えて、酸素も含んでいます。PETに含まれる原子の数の割合は、炭素と水をちょうど混ぜたものと同じです。天王星や海王星の中にある水を、より本物に近くまねできるわけです。

結果、PETでは、約72〜125ギガパスカル、約3500〜6000ケルビンでダイヤモンドができました。72ギガパスカルは、地上の空気の圧力の約71万倍です。2017年の実験（約139〜159ギガパスカル）より低い圧力でも、ダイヤモンドができたことになります。

しかも、この実験では、レーザーで1回押すだけでダイヤモンドができました。2017年のように、2回に分けて押す必要はなかったのです。論文は、PETに含まれる酸素が、この違いを生んだと考えています。酸素があると、ダイヤモンドができやすくなるというのです。

炭素がダイヤモンドになって抜けると、あとには水が残ります。論文によると、その水は「超イオン水」という特別な状態になる可能性があります。SLACの発表によると、超イオン水では、水の分子がばらばらになります。酸素の原子は規則正しく並び、そのすきまを水素が自由に動き回ります。超イオン水は電気を通すので、天王星や海王星の変わった磁場（磁石の力が働く範囲）を説明できるかもしれない、とされています。

論文は、もう1つの使い道も挙げています。安いPETにレーザーで衝撃を与えるだけで、ナノダイヤモンド（ナノメートルの大きさの小さなダイヤモンド）を作れるかもしれない、というのです。SLACの発表によると、ナノダイヤモンドは、物を削ったり磨いたりする材料に、すでに使われています。

06まとめ

天王星や海王星の重さの8割以上は、水やメタンなどが熱く濃い液体になったものです。2017年、研究者たちはプラスチックの膜にレーザーで2回続けて衝撃を与え、惑星の奥に近い状態を作りました。すると、レーザーを当て始めてから10億分の6秒ほどで、小さなダイヤモンドが現れました。強く1回押すだけでは、温度が上がりすぎて、ダイヤモンドはできませんでした。

ただ、本物の惑星の中でダイヤモンドが雨のように沈んでいるところは、まだ誰も見ていません。一方、2022年の実験では、ペットボトルと同じ種類のプラスチックからもダイヤモンドができました。こちらは、レーザーで1回押すだけでできました。