Vědci objevili první stavební kámen při vzniku super-Země

Oxid hořečnatý, klíčový minerál při formování planet, může být prvním, který ztuhne ve vývoji exoplanet „super-Země“, přičemž jeho chování v extrémních podmínkách výrazně ovlivňuje planetární evoluci, odhaluje nová studie.

Vědci poprvé pozorovali, jak se atomy oxidu hořečnatého transformují a tají za extrémně extrémních podmínek, a poskytují tak nový pohled na tento klíčový minerál v zemském plášti, o kterém je známo, že ovlivňuje formování planet.

Vysokoenergetické laserové experimenty – které vystavily drobné krystaly kovu druhu tepla a tlaku, který se nachází hluboko v plášti kamenné planety – naznačují, že sloučenina by mohla být prvním kovem, který ztuhne z oceánů magmatu a vytvoří „super-Země“. exoplanety.

„Oxid hořečnatý by mohl být nejdůležitější pevnou látkou řídící termodynamiku vznikající super-Země,“ řekl John Weeks, odborný asistent pozemských a planetárních věd na Johns Hopkins University, který vedl výzkum. „Pokud má velmi vysokou teplotu tání, bude to první pevná látka, která vykrystalizuje, když horká kamenná planeta začne chladnout a její vnitřek se rozdělí na jádro a plášť.“

Důsledky pro mladé planety

Výsledky byly nedávno zveřejněny v Pokrok vědy.

Poukazují na to, že způsob, jakým oxid hořečnatý přechází z jedné formy do druhé, by mohl mít důležité důsledky pro faktory, které určují, zda mladá planeta bude sněhová koule nebo roztavený kámen, rozvine se vodní oceány nebo atmosféra nebo zda bude mít nějakou kombinaci těchto vlastností. .

„V superzemích, kde tento materiál bude velkou součástí pláště, jeho přeměna výrazně přispěje k tomu, jak rychle se teplo pohybuje uvnitř, což bude řídit, jak se bude pohybovat vnitřek a zbytek Země.“ „Planeta se časem tvaruje a deformuje,“ řekl Weeks. „Můžeme to považovat za zástupce vnitřků těchto planet, protože to by byl materiál, který řídí jejich deformaci, což je jeden z nejdůležitějších stavebních kamenů kamenných planet.“

Větší než Země, ale menší, než mají obři rádi Neptune nebo UranSuper-Země jsou hlavní cíle Exoplaneta Hledá, protože se běžně vyskytují mezi jinými slunečními soustavami v galaxii. Zatímco složení těchto planet se může lišit od plynu po led nebo vodu, očekává se, že superkamenné planety budou obsahovat velké množství oxidu hořčíku, který by mohl ovlivnit také magnetické pole planety, vulkanismus a další klíčové geofyziky, uvedl Weeks přízemní. .

Aby Wickův tým napodobil extrémní podmínky, které by tento minerál vydržel během formování planety, vystavil malé vzorky velmi vysokým tlakům pomocí laserového zařízení Omega-EP v Laboratoři laserové energie University of Rochester. Vědci také zobrazili rentgenové paprsky a zaznamenali, jak se tyto světelné paprsky odrazily od krystalů, aby sledovali, jak se jejich atomy přeskupily v reakci na rostoucí tlaky, konkrétně zaznamenali bod, ve kterém se změnily z pevné látky na kapalinu.

Při stlačení extrémní silou změní atomy materiálů, jako je oxid hořečnatý, své uspořádání, aby udržely drtící tlaky. To je důvod, proč se minerál mění z „fáze“ kamenné soli, která se podobá kuchyňské soli, na jinou formaci, jako je jiná sůl zvaná chlorid česný, jak se zvyšuje tlak. To vede k transformaci, která může ovlivnit viskozitu minerálu a jeho dopad na planetu, jak stárne, řekl Weeks.

Stabilita oxidu hořečnatého při vysokých tlacích

Výsledky týmu ukazují, že oxid hořečnatý může existovat v obou fázích při tlacích 430 až 500 gigaPascalů a teplotách asi 9 700 K, což je téměř dvojnásobek teploty povrchu Slunce. Experimenty také ukazují, že nejvyšší tlaky, kterým kov může odolat před úplným roztavením, jsou více než 600 gigapascalů, což je asi 600krát tlak, který by člověk pocítil v nejhlubších oceánských příkopech.

„Oxid hořečnatý taje při mnohem vyšší teplotě než jakákoli jiná látka nebo minerál.“ Diamant může být nejtvrdší materiál, ale to je to, co se roztaví, řekl Weeks „Pokud jde o extrémní materiály na malých planetách, je to velmi pravděpodobné být oxidem hořečnatým.“

Weeks uvedl, že studie ukazuje stabilitu a jednoduchost oxidu hořečnatého pod extrémními tlaky a mohla by vědcům pomoci vyvinout přesnější teoretické modely k prozkoumání klíčových otázek o chování tohoto a dalších minerálů ve skalnatých světech, jako je Země.

„Studie je milostným dopisem oxidu hořečnatému, protože překvapivě má ​​nejvyšší teplotu tání, jakou známe – při tlacích za středem Země – a stále se chová jako běžná sůl,“ řekl Weeks. „Je to prostě krásná, jednoduchá sůl, dokonce i při těchto rekordních tlacích a teplotách.“

Reference: „Přechod B1 na B2 v šokově lisovaném oxidu hořečnatém“ od Johna K. Weeks, Saransh Singh, Marius Mellot, Dane E. Fratandono, Federica Copari, Martin J. Gorman, Zhixuan Yi, J. Hrají: Ryan Rigg, Anirudh Hari, John H. Eggert, Thomas S. Duffy a Raymond F. Smith, 7. června 2024, Pokrok vědy.
doi: 10.1126/sciadv.adk0306

Dalšími autory jsou Saransh Singh, Marius Mellot a Dane E. Fratandono, Federica Copari a Martin J. Gorman a John H. Eggert a Raymond F. Smith z Lawrence Livermore National Laboratory; Zixuan Yi a Anirudh Hari z Johns Hopkins University; C. Ryan Rigg z University of Rochester; a Thomas S. Duffy z Univerzita Princeton.

Tento výzkum podpořila NNSA prostřednictvím programu National Laser User Facility Program v rámci smlouvy č. DE-NA0002154 a DE-NA0002720 a Laboratorně řízeného programu výzkumu a vývoje v LLNL (projekt č. 15-ERD-012). Tato práce byla provedena pod záštitou Ministerstva energetiky USA Lawrence Livermore National Laboratory na základě smlouvy č. DE-AC52-07NA27344. Tento výzkum byl podporován Národní správou jaderné bezpečnosti prostřednictvím Národního programu laserových uživatelských zařízení (smlouva č. DE-NA0002154 a DE-NA0002720) a Laboratorně řízeného výzkumného a vývojového programu v LLNL (projekt č. 15-ERD-014, 17 ). -ERD-014 a 20-ERD-044).