Ultrahøjtrykslasereksperimenter kaster lys over superjordkerner

Ved hjælp af kraftige laserstråler, forskere har simuleret forhold inde i en planet tre gange så stor som Jorden.

Forskere har identificeret mere end 2, 000 af disse "superjorde, " exoplaneter, der er større end Jorden, men mindre end Neptun, den næststørste planet i vores solsystem. Ved at studere, hvordan jern og siliciumlegeringer reagerer på ekstraordinære tryk, videnskabsmænd får ny indsigt i superjordens natur og deres kerner.

"Vi har nu en teknik, der giver os direkte adgang til de ekstreme tryk i exoplaneternes dybe indre og måle vigtige egenskaber, " sagde Thomas Duffy, professor i geovidenskab ved Princeton. "Tidligere videnskabsmænd var begrænset til enten teoretiske beregninger eller lange ekstrapolationer af lavtryksdata. Evnen til at udføre direkte eksperimenter giver os mulighed for at teste teoretiske resultater og giver en meget højere grad af tillid til vores modeller for, hvordan materialer opfører sig under disse ekstreme forhold."

Arbejdet, hvilket resulterede i det højeste tryk røntgendiffraktionsdata nogensinde registreret, blev ledet af June Wicks, da hun var associeret forsker ved Princeton, arbejder sammen med Duffy og kolleger ved Lawrence Livermore National Laboratory og University of Rochester. Deres resultater blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Fordi superjord ikke har nogen direkte analoger i vores eget solsystem, videnskabsmænd er ivrige efter at lære mere om deres mulige strukturer og sammensætninger, og derved få indsigt i de typer af planetariske arkitekturer, der kan eksistere i vores galakse. Men de står over for to vigtige begrænsninger:vi har ingen direkte målinger af vores egen planetkerne, hvorfra vi kan ekstrapolere, og indre tryk i superjord kan nå mere end 10 gange trykket i jordens centrum, langt ud over rækken af ​​konventionelle eksperimentelle teknikker.

Det pres, der er opnået i denne undersøgelse - op til 1, 314 gigapascal (GPa) - er omkring tre gange højere end tidligere eksperimenter, gør dem mere direkte anvendelige til at modellere den indvendige struktur af store, stenede exoplaneter, sagde Duffy.

"De fleste højtrykseksperimenter bruger diamantamboltceller, som sjældent når mere end 300 GPa, " eller 3 millioner gange trykket ved jordens overflade, han sagde. Trykket i Jordens kerne når op til 360 GPa.

"Vores tilgang er nyere, og mange mennesker i samfundet er ikke så fortrolige med det endnu, men vi har vist i dette (og tidligere) arbejde, at vi rutinemæssigt kan nå et pres på over 1, 000 GPa eller mere (omend kun for en brøkdel af et sekund). Vores evne til at kombinere dette meget høje tryk med røntgendiffraktion for at opnå strukturel information giver os et nyt værktøj til at udforske planetariske interiører, " han sagde.

Forskerne komprimerede to prøver i kun et par milliardtedele af et sekund, lige lang nok til at undersøge atomstrukturen ved hjælp af en puls af lyse røntgenstråler. Det resulterende diffraktionsmønster gav information om tætheden og krystalstrukturen af ​​jern-silicium-legeringerne, afslører, at krystalstrukturen ændrede sig med højere siliciumindhold.

"Metoden til simultan røntgendiffraktion og stødeksperimenter er stadig i sin vorden, så det er spændende at se en 'virkelig applikation' for Jordens kerne og videre, " sagde Kanani Lee, en lektor i geologi og geofysik ved Yale University, som ikke var involveret i denne forskning.

Denne nye teknik udgør et "meget betydeligt" bidrag til området for exoplanetforskning, sagde Diana Valencia, en pioner på området og en assisterende professor i fysik ved University of Toronto-Scarborough, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "Dette er en god undersøgelse, fordi vi ikke bare ekstrapolerer fra lavtryk og håber på det bedste. Dette giver os faktisk det "bedste, ' giver os disse data, og det begrænser derfor vores modeller bedre."

Wicks og hendes kolleger rettede en kort, men intens laserstråle mod to jernprøver:en legeret med 7 vægtprocent silicium, svarende til den modellerede sammensætning af Jordens kerne, og en anden med 15 vægtprocent silicium, en sammensætning, der er mulig i exoplanetariske kerner.

En planets kerne udøver kontrol over dens magnetfelt, termisk evolution og masse-radius forhold, sagde Duffy. "Vi ved, at Jordens kerne er jern legeret med omkring 10 procent af et lettere grundstof, og silicium er en af ​​de bedste kandidater til dette lette element både til Jorden og ekstrasolare planeter."

Forskerne fandt ud af, at ved ultrahøje tryk, den lavere siliciumlegering organiserede sin krystalstruktur i en sekskantet tætpakket struktur, mens den højere siliciumlegering brugte kropscentreret kubisk pakning. Den atomare forskel har enorme implikationer, sagde Wicks, som nu er assisterende professor ved Johns Hopkins University.

"Kendskab til krystalstrukturen er den mest grundlæggende information om det materiale, der udgør det indre af en planet, da alle andre fysiske og kemiske egenskaber følger af krystalstrukturen, " hun sagde.

Wicks og hendes kolleger målte også tætheden af ​​jern-silicium-legeringerne over en række tryk. De fandt ud af, at ved det højeste tryk, jern-silicium-legeringerne når 17 til 18 gram pr. kubikcentimeter - omkring 2,5 gange så tæt som på Jordens overflade, og sammenlignelig med tætheden af ​​guld eller platin ved Jordens overflade. De sammenlignede også deres resultater med lignende undersøgelser udført på rent jern og opdagede, at siliciumlegeringerne er mindre tætte end ulegeret jern, selv under ekstremt pres.

"En ren jernkerne er ikke realistisk, " sagde Duffy, "da processen med planetarisk dannelse uundgåeligt vil føre til inkorporering af betydelige mængder af lettere elementer. Vores undersøgelse er den første til at overveje disse mere realistiske kernekompositioner."

Forskerne beregnede tætheden og trykfordelingen inde i superjorden, under hensyntagen til tilstedeværelsen af ​​silicium i kernen for første gang. De fandt ud af, at inkorporering af silicium øger den modellerede størrelse af en planetkerne, men reducerer dens centrale tryk.

Fremtidig forskning vil undersøge, hvordan andre lette elementer, såsom kulstof eller svovl, påvirke strukturen og densiteten af ​​jern ved ultrahøje trykforhold. Forskerne håber også at kunne måle andre vigtige fysiske egenskaber ved jernlegeringer, for yderligere at begrænse modeller af exoplaneters indre.

"For en geolog, opdagelsen af ​​så mange ekstrasolare planeter har åbnet døren til et nyt felt for udforskning, " sagde Duffy. "Vi indser nu, at de forskellige planeter, der er derude, går langt ud over de begrænsede eksempler i vores eget solsystem, og der er et meget bredere presfelt, temperatur og kompositionsrum, der skal udforskes. Forståelse af den indvendige struktur og sammensætning af disse store, klippelegemer er nødvendige for at undersøge grundlæggende spørgsmål såsom den mulige eksistens af pladetektonik, magnetisk feltgenerering, deres termiske udvikling og endda om de er potentielt beboelige."