Undersøge materialer under dybe jordforhold for at tyde Jordens evolutionære fortælling

Langt under jordens overflade, omkring 1, 800 miles dyb, ligger et bølgende magmatisk område klemt mellem den faste silikatbaserede kappe og smeltet jernrige kerne:Kerne-kappe-grænsen. Det er en rest fra gammel tid, de oprindelige dage for omkring 4,5 milliarder år siden, da hele planeten var smeltet, et endeløst hav af magma. Selvom regionens ekstreme tryk og temperaturer gør det svært at studere, den indeholder spor om den mystiske oprindelseshistorie om verden, som vi kender den.

"Vi forsøger stadig at samle, hvordan Jorden faktisk begyndte at dannes, hvordan den forvandlede sig fra en smeltet planet til en med levende væsner, der gik rundt på sin silikatkappe og skorpe, " siger Arianna Gleason, en videnskabsmand ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. "At lære om de mærkelige måder, materialer opfører sig på under forskelligt pres, kan give os nogle hints."

Nu, forskere har udviklet en måde at studere flydende silikater under de ekstreme forhold, der findes i kerne-kappe-grænsen. Dette kunne føre til en bedre forståelse af Jordens tidlige smeltede dage, som endda kunne strække sig til andre klippeplaneter. Forskningen blev ledet af forskerne Guillaume Morard og Alessandra Ravasio. Holdet, som omfattede Gleason og andre forskere fra SLAC og Stanford University, offentliggjorde deres resultater i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Der er træk ved væsker og glas, især silikat smelter, som vi ikke forstår, " siger Morard, en videnskabsmand ved universitetet i Grenoble og universitetet i Sorbonne i Frankrig. "Problemet er, at smeltede materialer i sagens natur er mere udfordrende at studere. Gennem vores eksperimenter var vi i stand til at sondere geofysiske materialer ved de ekstremt høje temperaturer og tryk på dyb Jord for at tackle deres flydende struktur og lære, hvordan de opfører sig. I fremtiden vil vi være i stand til at bruge disse typer eksperimenter til at genskabe Jordens første øjeblikke og forstå de processer, der formede den."

Varmere end solen

Hos SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenfri-elektronlaser, forskerne sendte først en chokbølge gennem en silikatprøve med en omhyggeligt indstillet optisk laser. Dette gjorde det muligt for dem at nå tryk, der efterligner dem ved Jordens kappe, 10 gange højere end tidligere opnået med flydende silikater, og temperaturer så høje som 6, 000 Kelvin, lidt varmere end solens overflade.

Næste, forskerne ramte prøven med ultrahurtige røntgenlaserimpulser fra LCLS i det præcise øjeblik, chokbølgen nåede det ønskede tryk og den ønskede temperatur. Nogle af røntgenstrålerne spredte sig derefter ind i en detektor og dannede et diffraktionsmønster. Ligesom hver person har deres eget sæt fingeraftryk, materialernes atomare struktur er ofte unik. Diffraktionsmønstre afslører, at materialets fingeraftryk, giver forskerne mulighed for at følge, hvordan prøvens atomer omarrangeres som reaktion på stigningen i tryk og temperatur under chokbølgen. De sammenlignede deres resultater med tidligere eksperimenter og molekylære simuleringer for at afsløre en fælles evolutionær tidslinje af glas og flydende silikater ved højt tryk.

"Det er spændende at kunne samle alle disse forskellige teknikker og få lignende resultater, " siger SLAC-forsker og medforfatter Hae Ja Lee. "Dette giver os mulighed for at finde en kombineret ramme, der giver mening og tage et skridt fremad. Det er meget omfattende sammenlignet med andre undersøgelser."

Forbinder det atomistiske til det planetariske

I fremtiden, LCLS-II opgraderingen, samt opgraderinger til instrumentet Matter in Extreme Conditions (MEC), hvor denne forskning blev udført, vil give forskere mulighed for at genskabe de ekstreme forhold, der findes i den indre og ydre kerne for at lære om, hvordan jern opfører sig og den rolle, det spiller i at generere og forme Jordens magnetfelt.

For at følge op på denne undersøgelse, forskerne planlægger at udføre eksperimenter med højere røntgenenergier for at foretage mere præcise målinger af atomarrangementet af flydende silikater. De håber også at nå højere temperaturer og tryk for at få indsigt i, hvordan disse processer udspiller sig på planeter større end Jorden, såkaldte superjorder eller exoplaneter, og hvordan størrelsen og placeringen af ​​en planet påvirker dens sammensætning.

"Denne forskning giver os mulighed for at forbinde det atomistiske til det planetariske, " siger Gleason. "Fra denne måned, mere end 4, 000 exoplaneter er blevet opdaget, omkring 55 af dem er placeret i deres stjerners beboelige zone, hvor det er muligt for flydende vand at eksistere. Nogle af dem har udviklet sig til det punkt, hvor vi tror, ​​at der er en metallisk kerne, der kunne generere magnetiske felter. som beskytter planeter mod stjernevinde og kosmisk stråling. Der er så mange brikker, der skal falde på plads, for at livet kan dannes og opretholdes. At foretage de vigtige målinger for bedre at forstå konstruktionen af ​​disse planeter er afgørende i denne opdagelsestid."