Așezarea părților interioare ale planetelor exterioare ale super-Pământului

Concepția artistului despre o secțiune transversală a super-Pământului cu camera țintă NIF deasupra mantalei, privind nucleul. Credit: John Jett/LLNL Foto

Descoperirea a peste 4.500 de exoplanete a creat nevoia de a le modela structura și dinamica internă. După cum sa dovedit, fierul joacă un rol major.
Oamenii de știință și colaboratorii de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) au folosit lasere la National Ignition Facility pentru a determina curba de topire la presiune înaltă și proprietățile structurale ale fierului pur până la 1.000 de gigapascali (aproape 10.000.000 de atmosfere), de trei ori presiunea internă a Pământului. Miez și presiune de aproximativ patru ori mai mare decât orice experiment anterior. Căutarea apare în Ştiinţă.

Echipa a efectuat o serie de experimente care simulează condițiile observate prin căderea unei bucăți de fier spre centrul unui nucleu super-Pământ. Experimentele sunt personalizate ca parte a programului NIF Discovery Science, care este deschis accesului și disponibil tuturor cercetătorilor.

„Bogăția vastă de fier din planetele interioare stâncoase face ca este imperativ să înțelegem proprietățile fierului și răspunsul său în condiții extreme adânci în nucleele celor mai masive planete asemănătoare Pământului”, a spus Rick Krause, fizician LLNL și autor principal al studiului. hârtie. . „Curba de topire a fierului este esențială pentru înțelegerea structurii sale interne, a evoluției termice, precum și a potențialului pentru magnetosferele generate de dinamo”.

Se crede că magnetosfera este o componentă importantă a planetelor terestre locuibile, așa cum este și pe Pământ. Magnetodinamica Pământului în miezul exterior al fierului lichid este generată de convecția care înconjoară miezul interior al fierului solid și este declanșată de căldura latentă eliberată în timpul solidificării fierului.

Având în vedere importanța fierului pe planetele terestre, sunt necesare proprietăți fizice precise și precise la presiuni și temperaturi extreme pentru a prezice ce se întâmplă în interiorul planetelor. Punctul de topire este o proprietate de ordinul întâi a fierului, care este încă dezbătută despre condițiile din interiorul Pământului. Curba de topire este cea mai mare tranziție reologică pe care o poate suferi o substanță, de la una cu rezistență la una fără. Unde un solid se transformă într-un lichid, iar temperatura depinde de presiunea fierului de călcat.

Prin experimente, echipa a determinat lungimea de lucru a dinamului în timpul solidificării primare la structura hexagonală umplută în interiorul exoplanetelor super-Pământului.

„Am descoperit că exoplanetele terestre de peste patru până la șase ori masa Pământului ar avea cel mai lung dinam, oferind un scut important împotriva radiațiilor cosmice”, a spus Krause.

„Pe lângă interesul nostru de a înțelege locuibilitatea exoplanetelor, tehnologia pe care am dezvoltat-o ​​pentru fier va fi aplicată mai multor materiale legate de programare în viitor”, a spus Krause, inclusiv Repository Stewardship Program.

Curba de topire este o constrângere incredibil de sensibilă asupra ecuației modelului de stare.

Echipa a obținut, de asemenea, dovezi că cinetica solidificării în astfel de condiții extreme este rapidă, fiind nevoie de doar nanosecunde pentru a trece de la lichid la solid, permițând echipei să observe limitele fazei de echilibru. „Această perspectivă experimentală îmbunătățește modelarea noastră a răspunsului dependent de timp al tuturor materialelor pentru toate materialele”, a spus Krause.

Referință: „Măsurarea curbei de topire a fierului în condiții de bază super-pământului” de Richard J. Krause, Russell J. Hemley, Susan J. Ali, Jonathan L. Belov, Lauren X Benedict, Joel Bernier, Dave Brown, Ray Cohen, Gilbert W. Collins, Federica Kopari, Michael P. Degarlais, Dane Fratandono, Sebastian Hamill, Andy Krieger, Amy Lazicki, James McEnany, Marius Melott, Philip C. Mint, Matthew G. Newman, James R. Rigg, Dean M. Sterbentz, Sarah T Stewart, Lars Sticksrud, Damien C Swift, Chris Wehrenberg și John H. Eggert, 13 ianuarie 2022, Ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abm1472

Alți membri ai echipei Livermore includ Suzanne Ali, John Beloff, Lauren Benedict, Joel Bernier, Dave Brown, Federica Coppari, Dane Fratandono, Sebastian Hummel, Andy Krieger, Amy Lazicki, James McEnany, Marius Melott, Philip Mint, Dean M. Sternpentz, Damien Swift, Chris Wehrenberg și John Eggert. La studiu au contribuit și cercetători de la Universitatea Illinois din Chicago, Instituția Carnegie pentru Știință, Universitatea din Rochester, Laboratorul Național Sandia, Institutul de Tehnologie din California, Universitatea din California Davis și UCLA.

Lucrarea este finanțată de Programul de Fizică și Design al Armelor al LLNL și de Programul de Știință Discovery al NIF.