Astronomowie poznają tajemnice egzoplanet typu Super-Ziemia
Naukowcy odkryli nowe sekrety dotyczące wnętrz egzoplanet typu super-Ziemia, pogłębiając rozumienie tych odległych światów.
Badacze zakładają, że tlenek magnezu (MgO), kluczowy składnik dolnego płaszcza Ziemi, odgrywa podobną rolę w płaszczach masywnych skalistych egzoplanet (typu Super-Ziemia). Znany ze swojej prostej struktury krystalicznej soli kamiennej (B1) i znaczenia geofizycznego, zachowanie MgO w ekstremalnych warunkach od dawna ciekawi naukowców.
Super-Ziemie, to jak tłumaczą astronomowie, planety o masach i promieniach większych niż Ziemia, ale mniejszych niż gazowe olbrzymy, takie jak Neptun, często mają skład podobny do skalistych planet w Układzie Słonecznym. Biorąc pod uwagę ekstremalne ciśnienie i temperatury w ich płaszczach, badacze zakładają, że MgO przekształci się ze struktury B1 w strukturę chlorku cezu (B2). Transformacja ta, jak podkreślają naukowcy, znacząco zmienia właściwości MgO, w tym wpływa na spadek lepkości, co może znacząco zmienić wewnętrzną dynamikę planety.
Aby określić ciśnienie, przy którym zachodzi to przejście, badacze z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Johns Hopkins University opracowali nową platformę eksperymentalną. Łączy ona kompresję laserową z jednoczesnymi pomiarami ciśnienia, struktury krystalicznej, temperatury, tekstury mikrostrukturalnej i gęstości.
Przeprowadzając 12 eksperymentów w University of Rochester’s Laboratory for Laser Energetics, naukowcy sprężali MgO do ultrawysokich ciśnień do 634 gigapaskala (6,34 miliona atmosfer) przez kilka nanosekund. Korzystając z źródła promieniowania rentgenowskiego, zbadali strukturę atomową MgO w tych warunkach. Badanie zostało opublikowane w Science Advances.
Jak tłumaczą badacze przejście fazowe B1 do B2 w MgO nastąpiło w zakresie ciśnień 400-430 gigapaskala (GPa) w temperaturze wypalania około 9 450 stopni Celsjusza. Powyżej 470 GPa zaobserwowano koegzystencję B2-ciecz, z całkowitym stopieniem przy 634 GPa.
„Badanie to dostarczyło pierwszych bezpośrednich ograniczeń na poziomie atomowym i termodynamicznym początku ciśnieniowo-temperaturowej transformacji fazowej B1 do B2 i reprezentuje dane dyfrakcji rentgenowskiej o najwyższej temperaturze, jakie kiedykolwiek zarejestrowano” – mówi Ray Smith z LLNL.
Jak podkreślają badacze, przejście B1-B2 jest modelem dla innych strukturalnych przemian fazowych, stanowią one wzór dla innych badań teoretycznych skupionych na ścieżkach atomowych ułatwiających tę zmianę. Wykorzystując model do symulacji warunków dyfrakcji rentgenowskiej, naukowcy mogli wyjaśnić mechanizm przejścia B1-B2 w MgO.
„Nasze dane z dyfrakcji rentgenowskiej zapewniają bezpośrednie pomiary zmian na poziomie atomowym w MgO pod wpływem kompresji szokowej i pierwsze określenie mechanizmu przejścia fazowego przy głębokich ciśnieniach płaszcza egzoplanet typu Super-Ziemia” – podsumowuje Saransh Soderlind z LLNL.
Emil Gołoś
