Rampkomprimering af jern giver indsigt i kernebetingelserne for store stenede eksoplaneter

I et papir udgivet i dag af Natur Astronomi , et team af forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Princeton University, Johns Hopkins University og University of Rochester har leveret det første eksperimentelt baserede masse-radius-forhold til en hypotetisk ren jernplanet ved superjordens kernebetingelser.

Denne opdagelse kan bruges til at evaluere plausibelt kompositionsrum til store, stenede eksoplaneter, danner grundlaget for fremtidige planetariske interiørmodeller, som igen kan bruges til mere præcist at fortolke observationsdata fra Kepler -rummissionen og hjælpe med at identificere planeter, der er egnede til beboelighed.

"Opdagelsen af ​​et stort antal planeter uden for vores solsystem har været en af ​​de mest spændende videnskabelige opdagelser af denne generation, "sagde Ray Smith, en fysiker ved LLNL og hovedforfatter af forskningen. "Disse opdagelser rejser grundlæggende spørgsmål. Hvad er de forskellige typer af ekstrasolare planeter, og hvordan dannes og udvikler de sig? Hvilke af disse objekter kan potentielt opretholde overfladeforhold, der er egnede til livet? For at tage fat på sådanne spørgsmål, det er nødvendigt at forstå sammensætningen og den indre struktur af disse objekter. "

Af de mere end 4, 000 bekræftede og kandidater til ekstrasolære planeter, dem, der er en til fire gange Jordens radius, vides nu at være de mest rigelige. Dette størrelsesinterval, der spænder mellem Jorden og Neptun, er ikke repræsenteret i vores eget solsystem, hvilket indikerer, at planeter dannes over en bredere vifte af fysiske forhold end tidligere antaget.

"At bestemme den indre struktur og sammensætning af disse superjordplaneter er udfordrende, men er afgørende for at forstå mangfoldigheden og udviklingen af ​​planetsystemer i vores galakse, "Sagde Smith.

Da kernetryk for selv en 5 × -Jordmasse kan nå op til 2 millioner atmosfærer, et grundlæggende krav for at begrænse eksoplanetarisk sammensætning og indvendig struktur er en nøjagtig bestemmelse af materialegenskaberne ved ekstreme tryk. Jern (Fe) er et kosmokemisk rigeligt element, og som den dominerende bestanddel af terrestriske planetariske kerner, er et centralt materiale til at studere superjordens interiører. En detaljeret forståelse af jernets egenskaber ved superjordforhold er en væsentlig komponent i teamets eksperimenter.

Forskerne beskriver en ny generation af laserforsøg med høj effekt, som bruger rampekompressionsteknikker til at tilvejebringe den første absolutte ligning af tilstandsmålinger af Fe ved ekstreme tryk- og tæthedsbetingelser, der findes inden for superjordkerner. Sådan stødfri dynamisk komprimering er unikt egnet til komprimering af stof med minimalt opvarmning til TPa-tryk (1 TPa =10 millioner atmosfærer).

Eksperimenterne blev udført på LLNL's National Ignition Facility (NIF). NIF, verdens største og mest energiske laser, kan levere op til 2 megajoule laser energi over 30 nanosekunder og giver den nødvendige laserkraft og kontrol til at komprimere materialer til TPa -tryk. Teamets eksperimenter nåede et maksimalt tryk på 1,4 TPa, fire gange højere tryk end tidligere statiske resultater, repræsenterer kerneforhold fundet med en 3-4x jordmasseplanet.

"Planetariske indvendige modeller, som er afhængige af en beskrivelse af bestanddele under ekstremt pres, er almindeligvis baseret på ekstrapolationer af lavtryksdata og producerer en lang række predikerede materialetilstande. Vores eksperimentelle data giver et fastere grundlag for at etablere egenskaberne af en superjordplanet med en ren jernplanet, "Sagde Smith." Desuden vores undersøgelse viser evnen til bestemmelse af statsligninger og andre centrale termodynamiske egenskaber for planetariske kernematerialer ved tryk langt ud over konventionelle statiske teknikker. Sådanne oplysninger er afgørende for at fremme vores forståelse af strukturen og dynamikken på store stenrige eksoplaneter og deres udvikling. "

Fremtidige eksperimenter på NIF vil udvide studiet af planetariske materialer til flere TPa, samtidig med at nanosekund røntgendiffraktionsteknikker kombineres for at bestemme krystalstrukturudviklingen med tryk.