W pracy opisano nową generację eksperymentów laserowych o dużej mocy, które zapewniają pierwsze absolutne równanie stanu żelaza w warunkach ekstremalnego ciśnienia i gęstości.
Grupa badaczy z Livermore National Laboratory. Lawrence (LLNL), Princeton University, Johns Hopkins University i University of Rochester (USA) po raz pierwszy eksperymentalnie określiły zależność promienia masy hipotetycznej metalowej planety od właściwości jądra super-Ziemi. Praca naukowców została przedstawiona w czasopiśmie Nature Astronomy.
„Odkrycie dużej liczby planet poza Układem Słonecznym było jednym z najbardziej ekscytujących odkryć naukowych tego pokolenia. Badania te rodzą fundamentalne pytania. Jakie są rodzaje planet pozasłonecznych i jak powstają i ewoluują? Który z tych obiektów może utrzymać akceptowalne warunki życia na powierzchni? Aby rozwiązać te problemy, musisz zrozumieć skład i strukturę wewnętrzną tych obiektów”- mówi Ray Smith, fizyk z LLNL i główny autor badania.
Wyniki można wykorzystać do oceny składu dużych skalistych egzoplanet, stanowiących podstawę przyszłych modeli głębokości planetarnych, które z kolei mogą posłużyć do dokładniejszej interpretacji danych obserwacyjnych z misji kosmicznej Kepler i pomóc w określeniu planet nadających się do zamieszkania.
Wiadomo, że spośród ponad 4000 egzoplanet i kandydatów do tej roli najczęstsze są te, które przekraczają promień Ziemi 1-4 razy. Takie światy pozasłoneczne nie są reprezentowane w naszym systemie. Oznacza to, że planety formują się w szerszym zakresie warunków fizycznych, niż wcześniej sądzono. Określenie wewnętrznej struktury i składu super-Ziemi jest trudne, ale kluczowe dla zrozumienia różnorodności i ewolucji systemów planetarnych w naszej galaktyce.
Ponieważ ciśnienie w jądrze egzoplanety 5 razy większej od masy Ziemi może osiągnąć dwa miliony atmosfer, podstawowym wymogiem ograniczenia składu egzoplanety i jej struktury wewnętrznej jest dokładne określenie właściwości materiału znajdującego się pod ekstremalnym ciśnieniem. Żelazo jest dominującym składnikiem rdzeni planet podobnych do Ziemi. Dokładne zrozumienie właściwości żelaza w warunkach ziemskich stało się głównym wyzwaniem w badaniach zespołu Raya Smitha.
Naukowcy opisali nową generację potężnych eksperymentów laserowych, które dostarczają pierwszego absolutnego równania stanu żelaza w warunkach ekstremalnego ciśnienia i gęstości w jądrze super-Ziemi. Metoda jest odpowiednia do ściskania materii przy minimalnym nagrzewaniu do ciśnienia 1 terapaskala (1 TPa = 10 milionów atmosfer).
Odtworzenie jądra superziemi w aparacie NIF widzianym przez artystę. Źródło: Mark Meamber (NIF).
Film promocyjny:
Eksperymenty przeprowadzono w LLNL National Ignition Complex (NIF). NIF, największy i najpotężniejszy laser na świecie, może dostarczyć do 2 megadżuli energii lasera w 30 nanosekund i zapewnić wymaganą moc lasera oraz kontrolę kompresji materiału do ciśnień TPa. Eksperymenty zespołu osiągnęły szczytowe ciśnienie 1,4 TPa, czterokrotnie wyższe niż poprzednie statyczne wyniki, które opisywały podstawowe warunki superziemi o masie 3-4 razy większej od Ziemi.
„Modele wewnętrznych urządzeń planetarnych oparte na opisie materiałów kompozytowych poddawanych ekstremalnym ciśnieniom zazwyczaj ekstrapolują dane niskiego ciśnienia i tworzą szeroki zakres możliwych stanów materiałowych. Nasze dane eksperymentalne stanowią solidną podstawę do określenia właściwości superziemi i hipotetycznej metalowej planety. Ponadto badanie wykazało zdolność do wyznaczania równań stanu i innych kluczowych właściwości termodynamicznych materiałów rdzenia planetarnego przy ciśnieniach znacznie przewyższających konwencjonalne metody statyczne. Takie informacje mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia struktury dużych skalistych egzoplanet i ich ewolucji”- mówi Ray Smith.
Przyszłe eksperymenty NIF poszerzą badania materiałów pod kilkoma ciśnieniami TPa poprzez połączenie nanosekundowych technik dyfrakcji rentgenowskiej w celu określenia ewolucji struktury kryształu w funkcji ciśnienia.
Arina Vasilieva