Laboratorieteamet bruger gigantiske lasere til at komprimere jernoxid, afslører det hemmelige indre af stenede exoplaneter

Fremskridt inden for astronomiske observationer har resulteret i opdagelsen af ​​et ekstraordinært antal ekstrasolare planeter, hvoraf nogle menes at have en stenet sammensætning, der ligner Jorden. At lære mere om deres indre struktur kan give vigtige fingerpeg om deres potentielle beboelighed.

Ledet af Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), et team af forskere sigter mod at låse op for nogle af disse hemmeligheder ved at forstå egenskaberne af jernoxid – en af ​​bestanddelene i Jordens kappe – ved de ekstreme tryk og temperaturer, der sandsynligvis findes i det indre af disse store stenede planeter udenfor solen. Resultaterne af deres eksperimenter blev offentliggjort i dag i Natur Geovidenskab .

"På grund af den begrænsede mængde af tilgængelige data, de fleste indvendige strukturmodeller for stenede exoplaneter antager en opskaleret version af Jorden, bestående af en jernkerne, omgivet af en kappe domineret af silikater og oxider. Imidlertid, denne tilgang tilsidesætter stort set de forskellige egenskaber, som de indgående materialer kan have ved tryk, der overstiger dem, der findes inde i Jorden, " sagde Federica Coppari, LLNL fysiker og hovedforfatter på undersøgelsen. "Med det stadigt stigende antal bekræftede exoplaneter, inklusive dem, der menes at være stenet i naturen, det er afgørende at få en bedre forståelse af, hvordan deres planetariske byggesten opfører sig dybt inde i sådanne kroppe."

Ved at bruge gigantiske lasere på University of Rochesters Omega Laser Facility, forskerne pressede en jernoxidprøve til næsten 7 megabar (eller Mbar - 7 millioner gange jordens atmosfæriske tryk), forhold, der forventes i det indre af stenede exoplaneter, der er cirka fem gange mere massive end Jorden. De sprængte yderligere lasere på en lille metalfolie for at skabe en kort puls af røntgenstråler, lys nok til at sætte dem i stand til at fange et røntgendiffraktionssnapshot af den komprimerede prøve.

"Nøjagtig timing er kritisk, da toptryktilstanden opretholdes i ikke længere end 1 milliardtedel af et sekund, " sagde Coppari. Fordi røntgendiffraktion er unikt egnet til at give en måling af afstanden mellem atomer og hvordan de er arrangeret i et krystallinsk gitter, holdet fandt ud af, at når jernoxid komprimeres til tryk over 3 Mbar - trykket fra Jordens indre kerne - omdannes det til en anden fase, hvor atomerne er tættere pakket.

"At finde højtryksjernoxidstrukturen under forhold, der overstiger dem, der eksisterer inde i Jorden, er meget interessant, fordi denne form forventes at have en meget lavere viskositet end krystalstrukturen, der findes ved omgivende forhold og i Jordens kappe, " sagde Coppari.

Ved at kombinere de nye data med tidligere målinger på magnesiumoxid, en anden nøglebestanddel af klippeplaneter, holdet byggede en model for at forstå, hvordan faseovergangen i jernoxid kunne påvirke deres evne til at blande. De fandt ud af, at kappen på store terrestriske exoplaneter kunne være meget anderledes, end hvad man normalt forestiller sig, har sandsynligvis meget forskellig viskositet, elektrisk ledningsevne og rheologiske egenskaber.

"De mere ekstreme forhold, der forventes inde i store stenede superjorder, favoriserer fremkomsten af ​​en ny og kompleks mineralogi, hvor de indgående materialer blandes (eller løsnes), flyde og deformeres på en helt anden måde end i Jordens kappe, " sagde Coppari. "Blanding spiller ikke kun en rolle i dannelsen og udviklingen af ​​planeten, men påvirker også dramatisk rheologi og ledningsevne, som i sidste ende er relateret til dets beboelighed."

Ser frem til, denne forskning forventes at stimulere yderligere eksperimentelle og teoretiske undersøgelser rettet mod at forstå blandingsegenskaberne af de indgående materialer ved hidtil usete tryk og temperaturforhold.

"Der er stadig så meget at lære om materialer under ekstreme forhold og endnu mere om planetdannelse og evolution, " sagde hun. "Det er ufatteligt at tænke på, at vores laboratorieeksperimenter kan kigge ind i den indre struktur af planeter så langt væk med hidtil uset opløsning og bidrage til en dybere forståelse af universet."