Undersøgelse af muligheden for liv på superjord

Sammen med dens æstetiske funktion at hjælpe med at skabe den herlige Aurora Borealis, eller nordlys, det kraftige magnetfelt, der omgiver vores planet, har også en ret vigtig praktisk værdi:Det gør liv muligt.

Ved at aflede skadelige ladede partikler fra solen og de kosmiske stråler, der konstant bombarderer planeten, og forhindrer solvinden i at erodere atmosfæren, Jordens magnetfelt har gjort det muligt for flercellede livsformer op til og med mennesker at udvikle sig og overleve.

Og nu, med opdagelsen af ​​tusindvis af planeter hinsides solsystemet kendt som exoplaneter, videnskabsmænd er ivrige efter at lære, om stenede "superjorde, "op til 10 gange mere massiv end Jorden, måske også kunne rumme liv.

"At finde beboelige exoplaneter er et af de tre øverste mål for planetariske videnskabs- og astronomisamfund, " sagde Lawrence Livermore National Laboratory fysiker Rick Kraus. "Med disse opdagelser kommer mange spørgsmål:Hvordan ser disse planeter ud? Er vores solsystem unikt? Er Jorden unik? Eller mere specifikt, er Jorden enestående beboelig?"

Disse spørgsmål har inspireret en aktuel Discovery Science-kampagne fra National Ignition Facility (NIF) med det formål at afgøre, om gigantiske klippeplaneter kunne have jordlignende magnetfelter. En atmosfære, mildt klima og flydende vand anses normalt for at være det absolut nødvendige for livet, som vi kender det til at udvikle sig, men tilstedeværelsen af ​​et magnetfelt er lige så vigtig, sagde Kraus. "Aktiv pladetektonik og en magnetosfære betragtes begge som krav til en beboelig exoplanet, " sagde han. "Et stabilt overflademiljø fri for ioniserende stråling er en af ​​de vigtigste kvaliteter ved en planet, der anses for at være et krav for beboelighed."

Jordens magnetfelt genereres, når konvektionsstrømme i planetens flydende jern ydre kerne bliver snoet af planetens spin, skabe en magneto-dynamo, der producerer magnetosfæren (dynamoer omdanner mekanisk energi til elektrisk energi eller i dette tilfælde, magnetisme). En planet med kun en fast kerne har muligvis ikke et magnetfelt, og dermed være usandsynligt at rumme liv, som vi kender det.

"Vi er nødt til at forstå smelteovergangen af ​​jernkernerne for at afgøre, om det overhovedet er muligt at have en flydende ydre kerne og en fast indre kerne i en superjord, " sagde Kraus.

Smeltekurven er kritisk

"Det indre pres fra superjorden er så ekstremt, op til 35 millioner gange (Jordens) atmosfæriske tryk, at vi har meget lidt information om, hvordan materialer faktisk kan opføre sig i dem, " tilføjede han. "Smeltekurven for jern er afgørende for at løse spørgsmålet om, hvorvidt en superjord kunne have en beskyttende magnetosfære. Det er den trykinducerede størkning af jern, der frigiver den latente varme, der driver den komplekse konvektion i en planets kerne."

Forskerholdet bruger en NIF-eksperimentel platform kaldet TARDIS (target diffraction in situ) til at studere smeltekurven for jern ved tryk fra fem til 20 megabar (fem til 20 millioner jordatmosfærer). TARDIS røntgendiffraktionsdiagnostik er designet til at kaste lys over faseændringerne, eller strukturelle overgange mellem stoftilstande, der forekommer i materialer under sådanne ekstreme tryk og temperaturer (se "NIF's TARDIS sigter på at erobre tid og rum").

Kampagnen bygger på en ny eksperimentel teknik udviklet på Omega Laser Facility ved University of Rochester. Forskerne støder en jernprøve, så den bliver flydende ved 2,5 Mbar og bruger derefter rampe (stødfri) kompression til at komprimere den til 10 Mbar. In situ røntgendiffraktion, i øjeblikket det mest accepterede middel til at måle smeltning og størkning, bruges til at bekræfte, at det første stød smeltede materialet, og den efterfølgende rampekompressionsbølge fik det til at størkne igen (i modsætning til stødkompression, rampekomprimering holder prøvetemperaturerne lave og tillader undersøgelse af stof komprimeret til ekstreme tætheder).

"Eksperimenterne repræsenterer også et betydeligt fremskridt i forhold til, hvad der kan udforskes om smeltning af jern ved hjælp af statiske kompressionseksperimenter, " sagde kampagnens hovedefterforsker, Russell Hemley fra George Washington University, direktør for Carnegie/DOE Alliance Center (CDAC). "Disse eksperimenter til dato har været begrænset til tryk på omkring tre Mbar - eller trykket fra Jordens kerne - og har været kontroversielle. Derfor vil de nye resultater også forbedre vores forståelse af vores egen planets kerne samt give afgørende information om superjordens natur og deres potentielle beboelighed."

"En måde at tænke på dette eksperiment, " sagde Kraus, "er, at vi bruger chokbølgen til at skabe en varm tæt termisk tilstand i jernet, der ligner den i den ydre kerne af flydende jern i en superjord. Derefter, ved efterfølgende stødfrit at komprimere jernet, simulerer vi den termodynamiske bane, der ville blive oplevet af en pakke jern, der konvekserede dybt inde i den flydende kerne af en superjord. Med røntgendiffraktion, vi kan direkte besvare spørgsmålet om, hvorvidt den jernpakke ville størkne, når den når en foreskreven dybde."

NIF er den eneste facilitet, der er i stand til at opnå og undersøge disse ekstreme tilstande af stof. Forsøgene kræver den høje og vedvarende energiintensitet, der kun kan opnås på NIF, og laserens unikke pulsformende evne muliggør rampekompression af jern fra 5 til 20 Mbar. Kampagnen blev tildelt seks skuddage i regnskabsårene 2016 til 2018, nok til 12 eksperimenter.

"Hvis vi observerer størkning - diffraktion fra størknet jern - på den meget kortere tidsskala af et lasereksperiment, " sagde Kraus, "så ved vi, at smeltekurven er stejl nok til at have en fast indre kerne og flydende ydre kerne, som kunne muliggøre en magneto-dynamo i superjorden. Derefter, vores mål er at udforske de forskellige entropitilstande, eller temperaturprofiler, som kan opnås i kernerne af superjord og undersøge den termodynamiske vej, som en faldende flydende jernpakke tager. Denne opdagelse ville være et kritisk skridt fremad i at bestemme, hvilke typer af planeter uden for sol, der kunne være beboelige."