Superjord-atmosfærer undersøgt på Sandias Z-maskine

De enorme kræfter, der genereres af Z-maskinen ved Sandia National Laboratories, bliver brugt til at replikere gravitationstrykket på såkaldte "superjorde" for at bestemme, hvilke der kan opretholde atmosfærer, der kan understøtte liv.

Astronomer mener, at superjorder - samlinger af sten, der er op til otte gange større end Jorden - findes i millioner i vores galakse. "Spørgsmålet foran os er, om nogen af ​​disse superplaneter faktisk er jordlignende, med aktive geologiske processer, atmosfærer og magnetiske felter, " sagde Sandia-fysiker Joshua Townsend.

Det nuværende arbejde på Z er beskrevet i dagens Naturkommunikation . Forskere i Sandias Fundamental Science Program, arbejder sammen med kolleger på Earth and Planets Laboratory ved Carnegie Institution for Science i Washington, D.C., bruge de kræfter, der er tilgængelige på Sandias enestående kraftfulde Z-anlæg til næsten øjeblikkeligt at påføre bridgmanit, hvad der svarer til enorme gravitationstryk, også kendt som magnesiumsilikat, det mest udbredte materiale i faste planeter.

Eksperimenterne, sagde Townsend, fødte en dataunderstøttet tabel, der viser, hvornår en planets indre ville være solid, flydende eller gasformig under forskellige tryk, temperaturer og tætheder, og i hvilke forudsagte tidsrum. Kun en flydende kerne – med dens metaller, der skifter over hinanden under forhold, der ligner en jordisk dynamo – producerer de magnetiske felter, der kan shunt ødelæggende solvinde og kosmiske stråler væk fra en planets atmosfære, lader livet overleve. Denne kritiske information om magnetfeltstyrker produceret af kernetilstandene i superjorder af forskellig størrelse var tidligere utilgængelige:kerner er godt skjult af størstedelen af ​​planeterne, der omgiver dem, og dermed ikke synlig ved fjernsyn. For forskere, der foretrak jordiske eksperimenter frem for langdistancebilleddannelse, tilstrækkeligt pres var ikke tilgængeligt, før Z's kapaciteter blev indrulleret.

Yingwei Fei, den tilsvarende forfatter til den nuværende undersøgelse og seniorforsker ved Carnegies Earth and Planets Laboratory, er kendt for sin evne til at syntetisere bridgmanit med stor diameter ved hjælp af multiton-pressere med sintrede diamantambolte.

"Z har givet vores samarbejde et unikt værktøj, som ingen anden teknik kan matche, for os at udforske de ekstreme forhold i superjordens indre, " sagde han. "Maskinens hidtil usete højkvalitetsdata har været afgørende for at fremme vores viden om superjorder."

De storslåede syv

Yderligere analyse af tilstanden af ​​gasformige og tætte materialer på specifikke superjorder frembragte en liste over syv planeter, der muligvis er værdige til yderligere undersøgelse:55 Cancri e; Kepler 10b, 36b, 80e, og 93b; CoRoT-7b; og HD-219134b.

Sandia-manager Christopher Seagle, der med Fei oprindeligt foreslog disse eksperimenter, sagde, "Disse planeter, som vi fandt mest sandsynligt til at understøtte livet, blev udvalgt til yderligere undersøgelse, fordi de har lignende forhold til Jorden i deres jern, silikater og flygtige gasser, ud over indvendige temperaturer, der er befordrende for at opretholde magnetiske felter til beskyttelse mod solvind."

Fokus på superstørrelse, frem for små, planeter opstod, fordi store gravitationstryk betyder, at atmosfærer er mere tilbøjelige til at overleve på lang sigt, sagde Townsend.

For eksempel, han sagde, "Fordi Mars var mindre, den havde et svagere gravitationsfelt til at begynde med. Så da dens kerne hurtigt blev afkølet, det mistede sit magnetfelt, og dets atmosfære blev efterfølgende fjernet."

Z i aktion

Til disse eksperimenter, Z maskinen, med driftsforhold på op til 26 millioner ampere og hundredtusindvis af volt, skaber magnetiske impulser med enorm kraft, der accelererer stykker kobber og aluminium på størrelse med kreditkort, kaldet flyer-plader. Disse blev drevet meget hurtigere end en riffelkugle ind i prøver af bridgmanit, jordens mest almindelige mineral. Det næsten øjeblikkelige tryk fra den kraftfulde vekselvirkning skabte langsgående og tværgående lydbølger i materialet, der afslører, om materialet forbliver fast eller ændres til en væske eller gas, sagde Sandia-forsker og papirforfatter Chad McCoy. Med disse nye resultater, forskere blev forsynet med solide data, som de kunne forankre ellers teoretiske planetmodeller på.

Det tekniske papir konkluderer, at data med høj præcision tæthed og hidtil uset høje smeltetemperaturer opnået ved Z-maskinen "giver benchmarks for teoretiske beregninger under ekstreme forhold."

Afsluttet Fei, "Vores samarbejde med Sandia-forskere har ført til resultater, der vil tilskynde til mere akademisk udforskning af exoplaneter, hvis opdagelse har fanget offentlighedens fantasi."

"Dette arbejde identificerer interessante exoplanetkandidater at udforske yderligere, " sagde Seagle. "Z-chokkompression plus Feis usædvanlige evne til at syntetisere bridgmanit med stor diameter førte til en mulighed for at opnå data, der er relevante for exoplaneter, som ikke ville være mulige andre steder."