Højtrykseksperimenter løser meteoritmysteriet

Med højtryksforsøg på DESYs røntgenlyskilde PETRA III og andre faciliteter, et forskerhold omkring Leonid Dubrovinsky fra University of Bayreuth har løst en langvarig gåde i analysen af ​​meteoritter fra Månen og Mars. Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , kan forklare, hvorfor forskellige versioner af silica kan eksistere side om side i meteoritter, selvom de normalt kræver vidt forskellige betingelser for at dannes. Resultaterne betyder også, at tidligere vurderinger af forhold, hvor meteoritter er blevet dannet, skal genovervejes nøje.

Forskerne undersøgte et siliciumdioxid (SiO2) mineral, der kaldes cristobalit. "Dette mineral er af særlig interesse, når man studerer planetariske prøver, såsom meteoritter, fordi dette er det fremherskende silicamineral i udenjordiske materialer, " forklarer førsteforfatter Ana Černok fra Bayerisches Geoinstitut (BGI) ved University Bayreuth, som nu er baseret på Open University i Storbritannien. "Cristobalite har samme kemiske sammensætning som kvarts, men strukturen er væsentlig anderledes, " tilføjer medforfatter Razvan Caracas fra CNRS, ENS de Lyon.

Forskellig fra allestedsnærværende kvarts, cristobalit er relativt sjælden på jordens overflade, da den kun dannes ved meget høje temperaturer under særlige forhold. Men det er ret almindeligt i meteoritter fra Månen og Mars. Udstødt af asteroide nedslag fra overfladen af ​​Månen eller Mars, disse sten faldt til sidst til Jorden.

Overraskende nok, forskere har også fundet silicamineralet seifertit sammen med cristobalit i mars- og månemeteoritter. Seifertit blev først syntetiseret af Dubrovinsky og kolleger for 20 år siden og har brug for ekstremt høje tryk for at dannes. "At finde cristobalit og seifertit i det samme korn af meteoritmateriale er gådefuldt, da de dannes under vidt forskellige tryk og temperaturer, " understreger Dubrovinsky. "Udløst af denne nysgerrige observation, opførsel af cristobalit ved høje tryk er blevet undersøgt af adskillige eksperimentelle og teoretiske undersøgelser i mere end to årtier, men gåden kunne ikke løses."

Ved at bruge de intense røntgenstråler fra PETRA III på DESY og European Synchrotron Radiation Facility ESRF i Grenoble (Frankrig), forskerne kunne nu få hidtil usete synspunkter på strukturen af ​​cristobalit under høje tryk på op til 83 giga-pascal (GPa), hvilket svarer til cirka 820, 000 gange det atmosfæriske tryk. "Forsøgene viste, at når cristobalit komprimeres ensartet eller næsten ensartet - eller som vi siger, under hydrostatiske eller kvasi-hydrostatiske forhold – antager den en højtryksfase mærket cristobalit X-I, " forklarer DESY medforfatter Elena Bykova, der arbejder på Extreme Conditions Beamline P02.2 på PETRA III, hvor forsøgene fandt sted. "Denne højtryksfase vender tilbage til normal cristobalit, når trykket slippes."

Men hvis cristobalit komprimeres ujævnt under, hvad forskerne kalder ikke-hydrostatiske forhold, det konverteres uventet til en seifertit-lignende struktur, som forsøgene nu har vist. Denne struktur dannes under væsentligt mindre tryk end nødvendigt for at danne seifertit fra almindelig silica. "Ab initio-beregningerne bekræfter den dynamiske stabilitet af den nye fase op til høje tryk, " siger Caracas. Desuden forbliver den også stabil, når trykket slippes. "Dette kom som en overraskelse, " siger Černok. "Vores undersøgelse afklarer, hvordan presset cristobalit kan omdannes til seifertit ved meget lavere tryk end forventet. Derfor, meteoritter, der indeholder seifertit forbundet med cristobalit, har ikke nødvendigvis oplevet massive nedslag." Under et nedslag, chokbølgens udbredelse gennem klippen kan skabe meget komplekse spændingsmønstre selv med krydsende områder af hydrostatisk og ikke-hydrostatisk komprimerede materialer, så der kan dannes forskellige versioner af silica i den samme meteorit.

"Disse resultater har umiddelbare implikationer for at studere påvirkningsprocesser i solsystemet, " understreger Dubrovinsky. "De giver klare beviser for, at hverken cristobalit eller seifertit bør betragtes som pålidelige sporere af de højeste stødforhold, der opleves af meteoritter." Men observationerne viser også mere generelt, at det samme materiale kan reagere meget forskelligt på hydrostatiske og ikke- hydrostatisk kompression, som Dubrovinsky forklarer. "For materialevidenskab tyder vores resultater på en yderligere mekanisme til manipulation af materialers egenskaber:Bortset fra tryk og temperatur, Forskellige former for stress kan føre til helt anderledes opførsel af fast stof."