Tief im Inneren von Neptun und Uranus herrschen Bedingungen, unter denen sich Kohlenstoff in feste Kristalle verwandelt und als Diamantregen in die Tiefe sinkt. Rund zehntausend Kilometer unter der sichtbaren Wolkendecke pressen Millionen Atmosphären Druck und mehrere tausend Grad Hitze die Bausteine des Gases zusammen. Lange war das nur eine Rechnung auf dem Papier, bis ein Laborversuch die exotische Niederschlagsform erstmals sichtbar machte. Was dabei mit einem einzigen Laserschuss geschah, verändert den Blick auf die beiden äußersten Planeten des Sonnensystems.
Neptun und Uranus gelten als die Eisriesen des Sonnensystems, und ausgerechnet in ihrem Inneren soll ein Diamantregen fallen. Beide Planeten bestehen unter ihrer bläulichen Atmosphäre aus einer dichten, heißen Schicht aus Wasser, Ammoniak und Methan, also aus Verbindungen, die reichlich Kohlenstoff enthalten. Schon vor rund vierzig Jahren stellten Physiker die Überlegung an, dass der gewaltige Druck in der Tiefe diese Kohlenwasserstoffe auseinanderbricht und den freigesetzten Kohlenstoff zu Diamant presst. Die Vorstellung klang lange nach reiner Theorie, denn niemand kann in das Innere eines fernen Planeten hineinsehen. Gerade deshalb blieb die Frage über Jahrzehnte offen, ob es sich um eine hübsche Rechnung handelt oder um einen realen Vorgang, der sich in den Weiten des äußeren Sonnensystems tatsächlich abspielt.
Die Antwort kam nicht aus einem Teleskop, sondern aus einem Labor auf der Erde. Mit einem der stärksten Laser der Welt gelang es einem internationalen Team, für den Bruchteil einer Sekunde jene extremen Bedingungen nachzubilden, wie sie tausende Kilometer unter der Oberfläche der Eisriesen herrschen. In diesem winzigen Zeitfenster entstanden tatsächlich Diamanten, und zwar aus einem denkbar gewöhnlichen Ausgangsstoff. Damit verschob sich der Diamantregen von einer plausiblen Annahme zu einem belegten physikalischen Prozess. Für Neptun und Uranus bedeutet das weit mehr als eine Kuriosität, denn die absinkenden Kristalle könnten sogar erklären, warum die Magnetfelder dieser Planeten so schief und ungewöhnlich liegen. Die Geschichte des kostbaren Niederschlags verbindet damit Grundlagenphysik, Planetenforschung und eine Substanz, die auf der Erde als Schmuckstein gilt.
In Neptun und Uranus entsteht Diamantregen, weil enormer Druck und Hitze in der Tiefe die Kohlenwasserstoffe des Gases zerlegen. Der frei werdende Kohlenstoff wird zu winzigen Diamanten gepresst, die schwerer sind als ihre Umgebung und deshalb langsam Richtung Kern sinken.
Der Begriff Eisriese führt leicht in die Irre, denn mit gefrorenem Wasser hat die Tiefe wenig zu tun. Gemeint sind heiße, zähflüssige Schichten aus Wasser, Ammoniak und Methan, in denen Temperaturen von mehreren tausend Grad herrschen. Etwa zehntausend Kilometer unter den Wolken steigt der Druck auf ein Vielfaches dessen, was an der Erdoberfläche wirkt. Unter diesen Bedingungen halten die Bindungen zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff im Methan nicht mehr stand. Der Kohlenstoff ordnet sich neu und bildet die dichteste bekannte Form reinen Kohlenstoffs, den Diamant. Weil diese Kristalle dichter sind als das umgebende Material, fallen sie wie ein langsamer Niederschlag nach unten und sammeln sich vermutlich über sehr lange Zeiträume in einer Schicht rund um den festen Kern.
Den ersten direkten Nachweis lieferte 2017 ein Experiment, dessen Ergebnisse im Fachjournal Nature Astronomy erschienen. Die Forscher beschossen eine dünne Folie aus Kunststoff mit einem extrem starken optischen Laser und erzeugten so eine Stoßwelle. Für einen winzigen Moment stieg der Druck auf rund das Anderthalbmillionenfache des irdischen Luftdrucks, während die Temperatur auf etwa fünftausend Grad kletterte. Mit kurzen Röntgenblitzen konnte das Team beobachten, was in diesem Augenblick geschah. Nahezu jedes Kohlenstoffatom des Kunststoffs lagerte sich zu winzigen Diamanten zusammen, sogenannten Nanodiamanten, die nur wenige Nanometer groß waren. Damit war zum ersten Mal sichtbar, dass unter planetaren Bedingungen wirklich Diamanten entstehen und nicht nur entstehen könnten.
Die im Labor erzeugten Diamanten waren mikroskopisch klein, weil der Druck nur einen Sekundenbruchteil anhielt. In Neptun und Uranus wirken die gleichen Kräfte dagegen über Jahrmillionen. Die Fachleute am SLAC National Accelerator Laboratory schätzen, dass die Steine dort auf ein Gewicht von vielen Millionen Karat anwachsen könnten. Mit einem geschliffenen Schmuckstein hätten diese Gebilde allerdings wenig gemein. Sie wären eher kugelig, voller Einschlüsse und alles andere als klar. Nahe dem heißen Kern könnte es sogar so warm werden, dass die Diamanten wieder schmelzen und ein flüssiges Meer aus Kohlenstoff bilden, auf dem größere Brocken wie Eisberge treiben. So entsteht in der Tiefe eine Landschaft, die mit nichts auf der Erde vergleichbar ist.
Der absinkende Diamantregen könnte noch ein zweites Rätsel der Eisriesen erklären. Die Magnetfelder von Neptun und Uranus sind stark verkippt und liegen nicht mittig im Planeten, anders als bei Jupiter, Saturn oder der Erde. Eine mögliche Ursache liegt in der Bewegung der Kristalle. Wenn feste Diamanten durch eine elektrisch leitfähige, flüssige Umgebung nach unten sinken, bringen sie diese Schicht in Bewegung und treiben Ströme an. Solche Ströme können ein Magnetfeld formen, das gerade nicht dem einfachen Bild eines zentralen Stabmagneten folgt. Damit wäre der Niederschlag aus Kohlenstoff nicht nur ein spektakulärer Nebenschauplatz, sondern ein Baustein, der hilft, den grundlegenden Aufbau dieser fernen Welten zu verstehen.
Ein zweites Experiment ging der Sache noch genauer nach. Statt reinem Kunststoff nutzte das Team eine Folie aus dem Alltagsmaterial PET, das neben Kohlenstoff und Wasserstoff auch Sauerstoff enthält und die Chemie der Planeten besser abbildet. Dabei zeigte sich, dass der Sauerstoff die Bildung der Kristalle beschleunigt, sodass Diamantregen auf Neptun schon in geringerer Tiefe einsetzen dürfte als vermutet. Weil Planeten von der Größe der Eisriesen zu den häufigsten überhaupt gehören, spricht vieles dafür, dass nicht nur bei den beiden Nachbarn regnet es Diamanten, sondern an unzähligen Orten der Milchstraße. Nebenbei eröffnet die Methode einen neuen Weg, um Nanodiamanten gezielt herzustellen, die etwa in empfindlichen Sensoren gebraucht werden. Aus einer fernen Kuriosität wird so ein Vorgang mit Bezug bis in die Technik auf der Erde.
Bis heute hat nur eine einzige Raumsonde, Voyager 2, beide Eisriesen aus der Nähe gesehen, und das ist mehr als vierzig Jahre her. Vieles über das Innere von Neptun und Uranus bleibt deshalb eine begründete Rekonstruktion aus Messdaten und Laborversuchen. Sicher ist inzwischen aber, dass die Grundzutaten und die Kräfte für den Diamantregen vorhanden sind. Tief unter den ruhigen blauen Wolken dieser Planeten sinken damit fortwährend winzige Kristalle in die Dunkelheit, sammeln sich über gewaltige Zeiträume und legen sich als kostbare Schicht um einen glühenden Kern. Genau diese Vorstellung, dass es auf einem Planeten buchstäblich Edelsteine regnet, macht den Reiz des Themas aus und bleibt auch nach dem nüchternen Blick der Physik bestehen.
Nature Astronomy, Formation of diamonds in laser-compressed hydrocarbons at planetary interior conditions; doi:10.1038/s41550-017-0219-9
Science Advances, Diamond formation kinetics in shock-compressed C-H-O samples; doi:10.1126/sciadv.abo0617