なぜ地球ではダイヤモンドの雨が降らないのでしょうか？

最近、米国の科学研究チームは、シミュレーションシナリオ実験を通じて、土星、木星、そして太陽系外の多くの惑星にダイヤモンドの雨が降ると推測した。

これは、「太陽系の天王星と海王星にはダイヤモンドの雨がよく降る」という研究理論に続く、新たな画期的な成果だ。

希少性は物事に価値をもたらします。地球上で最も高価な品物の一つであるダイヤモンドは、その輝き、硬さ、希少性から人々に愛されています。ダイヤモンドで作られたダイヤモンドリングは、プロポーズの主な贈り物です。

天王星、海王星、土星、木星などの惑星ではダイヤモンドの雨が降っているのに、なぜ地球には降らないのでしょうか?実験室でシミュレートされたダイヤモンド雨のシーンは、普及・応用できるのでしょうか？

高級ダイヤモンド、出典：ダイヤモンド・トレーディング・ネットワーク

01. 異常な雨！

想像上の雨は当然、空から降り注ぐ「水」です。実際、これは地球上の特別なシナリオに過ぎません。

ご存知のとおり、地面の水は太陽光にさらされると水蒸気（「水蒸気」とも呼ばれます）に変わります。水蒸気は空気中に上昇し、冷たい空気に触れると小さな水滴に変わります。

これらの小さな水滴には 2 つの運命があります。小さくて軽いものは空気の流れによって空中に保持され、雲になります。少し大きめのものは、集合した後、重力が空気の浮力を超え、雨滴となって地面に落ちます。少し大きめの雨粒が急激な気温の低下に遭遇すると、雨粒は凝縮して雹となって降ります。

このことから、雨は物理的な変化であることがわかります。

雨と雪の形成の模式図、出典：オンライン教室ネットワーク

ダイヤモンドの雨は地球に降る雨とは根本的に異なります。探査機が1986年に天王星、1989年に海王星を通過した際に得られたデータと、科学者らがダイヤモンドの雨を復活させる過程を実験的にシミュレーションした結果によると、惑星上空の雷がガス中のメタンを分解し、すすの形で炭素を形成するという。炭素は沈んで黒鉛になります。グラファイトは惑星の奥深くまで落ち、巨大な圧力によってダイヤモンドを形成します。

メタンから炭素、グラファイト、ダイヤモンドへのプロセスは明らかに化学変化です。

透明なダイヤモンドと黒い炭素粉末とグラファイトは同じファミリーに属します。出典: ダイヤモンドトレーディングネットワーク

さらに分析を進めたところ、ダイヤモンド・レインには主に2つの条件が影響していることが明らかになりました。

1つ目は、空気中に一定量のメタンが存在することです。前世紀の終わりに、西洋の科学者たちは、特定の温度と圧力条件下ではメタンが分解して炭素原子を生成し、それが最終的に凝集してダイヤモンドを形成することを発見しました。

太陽系の4つのガス惑星のうち、天王星と海王星は地球のような岩石や土壌を持たず、水素、ヘリウム、メタン、エタンなどのガスからなる大気に覆われています。

科学者たちはかつて、メタンが全ガスの約 15% を占めるため、ダイヤモンドの雨が降る条件はメタンの上空で完全に満たされていると信じていました。土星と木星のメタン含有量は非常に低く、全ガスの0.5%未満であるため、ダイヤモンドの雨は発生しません。

米国の研究チームによる最近の研究では、土星と木星の上空にダイヤモンドの雨が降っているだけでなく、1日あたり約100万キロの炭素が惑星の深部に降り注ぎ、ダイヤモンドに変化していると推測されており、これは地球上の年間ダイヤモンド貯蔵量の50倍に相当します。これらのダイヤモンドの「雨」のうち、最大のものは直径が 1 cm を超え、約 15 カラットの大きなダイヤモンドに相当します。

第二に、強い雷、極端に高い温度、極端に高い圧力、極端に厚い大気やマントルなどの特別な自然現象や条件が存在する必要があります。毎秒10回の雷雨、数千度の温度、数百万パスカルの圧力に加え、非常に厚い大気、つまりマントルは、メタンがダイヤモンドに変化するのに最適な場所を提供します。

土星と木星を例に挙げてみましょう。地球の大気の厚さがわずか 100 キロメートル程度であるのに対し、これらの惑星の大気の厚さは数万キロメートルに及ぶと推測されています。その直径は12万キロメートルを超え、地球の直径の10倍以上なので、マントルの厚さは想像に難くありません。メタンは土星と木星の上空で強力な雷に打たれた後、4,000キロメートル以上降下し、グラファイトに変わります。グラファイトは6,000キロメートル以上降下して惑星の表面に到達し、強い圧力によってダイヤモンドに変わります。ダイヤモンドはマントルを1万キロメートル以上移動して星の中心部に到達し、そこで非常に高い温度によって液体に変化し、まさに「ダイヤモンドの海」を形成します。

海王星の構造図。外側から内側へ、上層大気、下層大気、マントル、核。ソースについては透かしをご覧ください

02. 見えないダイヤモンドの雨！

人類が知る限り、生命を育み、支える唯一の天体であるダイヤモンド・レインは、地球上ではこれまで一度も発生したことがなく、今後も発生することはないだろう。

まず、地球上のメタン含有量はガス全体の0.0002%を占めます。すべてをダイヤモンドに変換したとしても、それは土星にあるダイヤモンドの数の1000分の1にすぎません。

第二に、地球上の大気圧はメタンをダイヤモンドに変えるには程遠い。この作業を完了するために必要な大気圧は、人体はもちろん、山を粉々に砕くのに十分なものです。

第三に、たとえ一歩引いてメタンを地球上でダイヤモンドに変える作業を完了したとしても、落下速度が速く、エッジが鋭くギザギザしているため、地球の表面は想像を絶するほど損傷し、その結果は想像を絶するものとなるでしょう。

シミュレートされたダイヤモンドの雨、出典: Zhuyouhanxing ブログ

ダイヤモンドは空から降っては来ないが、アメリカの科学研究チームが以前行ったように、実験を通じてダイヤモンドを大量に生産することは可能だろうか？

答えはノーです。なぜなら、この実験には非常に高価で複雑な装置が必要なだけでなく、惑星の内部環境をシミュレートする技術的な難易度も極めて高いからです。難しさは主に雷、高温、圧力などの側面にあります。

雷の強さは並大抵のものではありません。ガス惑星の上空の大気中の水蒸気は、惑星内部の熱の影響を受け、集まって雷雲を形成し、雷を発生させます。

木星の雷の強さは地球の雷の1,000倍と推定されており、頻度は1秒間に10回近くに達することもあります。現在、人間が超強力な雷の実験を行えるのは、極めて小規模な実験のみです。

木星の激しい雷、出典：NASA、ジュノー探査機より

物質を分解するには、かなり高い温度が必要です。メタンまたはメタンに似たガス（ポリスチレンなど）を分解して炭素元素を得るには、温度を摂氏 5000 度まで上げなければなりません。実験がこの温度に達すると、ごく少量のメタンしか分解できません。

プレッシャーはとんでもなく高いです。グラファイトをダイヤモンドに変える実験には150万パスカルが必要です。 1Paとは、1平方メートルの面積に1ニュートンの力が均等に押し付けられたときに発生する圧力の強さを指します。ダイヤモンドの雨をシミュレートする米国の研究チームの一員であるクラウス氏は、「（グラファイトをダイヤモンドに変える圧力は）アフリカゾウ約250頭の体重が親指の爪の表面に集中して発生する圧力に相当します。これは、海王星などのガス惑星の表面から1万キロ下の環境でもある可能性があります」と語る。

このことから、メタンまたはメタンのようなガスからダイヤモンドを抽出するコストと困難さは想像を絶するものであることがわかります。メタンから1カラットのダイヤモンドを抽出するには、少なくとも1,000カラットのダイヤモンドを購入する費用がかかると計算する人もいます。

天王星のような惑星からダイヤモンドを入手する方法はなく、地球上でダイヤモンドの雨が降ることを期待することは不可能です。メタンからダイヤモンドを生産するのは労力に見合わないので、ダイヤモンドの雨という話題は、夕食後の会話の話題として、または作家がSF小説を書くための材料としてしか使えません。

参考文献:

1. 論文「科学者が「ダイヤモンドの雨」を作り出すことに成功」張橋科学技術、2017年

2. 論文「太陽系の8つの惑星の表面分析」、サイエンス・アンド・ライフ、2011年第20号

3. 記事「科学者の推測：宇宙における「ダイヤモンドの雨」現象は非常に一般的である」、シェパード天文学フォーラム 2022.9.14、著者 謝仁江

終わり

著者：魏徳勇、広東省深圳作家協会会員

査読者: Lu Yangxiaoyi、惑星物理学博士、中国天文学会会員

編集者: グル