Studien beskriver en ny generasjon laser-eksperimenter med høy effekt som gir den første absolutte tilstandslikningen for jern under ekstreme trykk- og tetthetsforhold.
En gruppe forskere fra Livermore National Laboratory. Lawrence (LLNL), Princeton University, Johns Hopkins University og University of Rochester (USA) bestemte for første gang eksperimentelt masseradiusavhengigheten til en hypotetisk metallplanet med egenskapene til en superjordskjerne. Forskernes arbeid presenteres i tidsskriftet Nature Astronomy.
”Oppdagelsen av et stort antall planeter utenfor solsystemet var en av de mest spennende vitenskapelige oppdagelsene i denne generasjonen. Disse studiene reiser grunnleggende spørsmål. Hva er de forskjellige typene ekstrasolare planeter, og hvordan former de seg og utvikler seg? Hvilke av disse gjenstandene kan opprettholde akseptable levekår på overflaten? For å løse disse problemene, må du forstå sammensetningen og den interne strukturen til disse objektene, sier Ray Smith, fysiker ved LLNL og hovedforfatter av studien.
Resultatene kan brukes til å estimere sammensetningen av store steinete eksoplaneter, og danner grunnlaget for fremtidige modeller av planetariske dybder, som igjen kan brukes til å mer nøyaktig tolke observasjonsdata fra Kepler romoppdrag og bidra til å bestemme beboelige planeter.
Det er kjent at av mer enn 4000 eksoplaneter og kandidater for denne rollen, er de vanligste de som overskrider jordens radius med 1-4 ganger. Slike ekstrasolare verdener er ikke representert i systemet vårt. Dette indikerer at planeter dannes i et bredere spekter av fysiske forhold enn tidligere antatt. Å bestemme den indre strukturen og sammensetningen av superjordene er utfordrende, men avgjørende for å forstå mangfoldet og evolusjonen til planetariske systemer i galaksen vår.
Siden trykket i kjernen av en exoplanet 5 ganger jordens masse kan nå to millioner atmosfærer, er et grunnleggende krav for å begrense sammensetningen til en exoplanet og dens indre struktur nøyaktig å bestemme egenskapene til materialet under ekstremt trykk. Jern er den dominerende komponenten i planetkjernene til jordlignende planeter. En detaljert forståelse av egenskapene til jern under superjordiske forhold ble en stor utfordring i forskningen til Ray Smiths team.
Forskere har beskrevet en ny generasjon kraftige lasereksperimenter som gir den første absolutte statlige ligningen for jern under ekstremt trykk og tetthet i superjordens kjerne. Metoden er egnet for komprimering av materiell med minimal oppvarming til et trykk på 1 terapascal (1 TPa = 10 millioner atmosfærer).
Rekreasjon av kjernen av super-jorden i NIF-kameraet sett av artisten. Kreditt: Mark Meamber (NIF).
Salgsfremmende video:
Eksperimentene ble utført ved LLNL National Ignition Complex (NIF). NIF, verdens største og kraftigste laser, kan levere opptil 2 megajouler laserenergi på 30 nanosekunder og levere den nødvendige laserkraften og kontrollen av materialkompresjon opp til TPa-trykk. Teamets eksperimenter nådde et topptrykk på 1,4 TPa, fire ganger trykket fra de forrige statiske resultatene, som beskrev de grunnleggende forholdene for en superjord 3-4 ganger Jordens masse.
“Interne planetariske enhetsmodeller basert på beskrivelsen av komposittmaterialer ved ekstreme trykk ekstrapolerer vanligvis lavtrykksdata og skaper et bredt spekter av mulige materialtilstander. Våre eksperimentelle data gir et solid grunnlag for å bestemme egenskapene til en superjord og en hypotetisk metallplanet. I tillegg demonstrerer studien evnen til å bestemme ligninger av tilstand og andre viktige termodynamiske egenskaper for planetariske kjernematerialer ved trykk langt over konvensjonelle statiske metoder. Slik informasjon er avgjørende for å få en forståelse av strukturen til store steinete eksoplaneter og deres utvikling, sier Ray Smith.
Fremtidige NIF-eksperimenter vil utvide studiet av materialer under flere TPa-trykk ved å kombinere nanosekund røntgendiffraksjonsteknikker for å bestemme utviklingen av krystallstruktur som en funksjon av trykket.
Arina Vasilieva
