Phoebe Newman 
Dzięki eksperymentom z laserem wysokoenergetycznym naukowcy wykazali, że tlenek magnezu jest prawdopodobnie pierwszym minerałem, który zestala się podczas formowania się superziemi, co w decydujący sposób wpływa na ewolucję geofizyczną tych planet.
Nowe badania pokazują, że tlenek magnezu, kluczowy minerał w powstawaniu planet, może jako pierwszy zestalić się w procesie powstawania egzoplanet „super-Ziemi”, a jego zachowanie w ekstremalnych warunkach ma ogromny wpływ na ewolucję planet.
Naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali, jak atomy tlenku magnezu przekształcają się i topią w ekstremalnie ekstremalnych warunkach, dostarczając nowego wglądu w ten kluczowy minerał występujący w płaszczu Ziemi, o którym wiadomo, że wpływa na powstawanie planet.
Eksperymenty z laserem wysokoenergetycznym – podczas których maleńkie kryształki metalu poddano działaniu ciepła i ciśnienia występującego głęboko w płaszczu skalistej planety – sugerują, że związek ten może być pierwszym metalem, który zestali się z oceanów magmy, tworząc „super-Ziemię”. egzoplanety.
„Tlenek magnezu może być najważniejszą substancją stałą kontrolującą termodynamikę powstającej super-Ziemi” – powiedział John Weeks, adiunkt nauk o Ziemi i planetach na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, który kierował badaniami. „Jeśli ma bardzo wysoką temperaturę topnienia, będzie pierwszą substancją stałą, która wykrystalizuje, gdy gorąca, skalista planeta zacznie się ochładzać, a jej wnętrze rozdzieli się na jądro i płaszcz”.
Implikacje dla młodych planet
Wyniki opublikowano niedawno w Postęp nauki.
Wskazują, że sposób, w jaki tlenek magnezu przechodzi z jednej formy w drugą, może mieć istotne implikacje dla czynników decydujących o tym, czy młoda planeta będzie kulą śnieżną, czy stopioną skałą, rozwiną się oceany wodne lub atmosfera, czy też będzie miała jakąś kombinację tych cech. .
„W superziemiach, gdzie materiał ten będzie dużym składnikiem płaszcza, jego przemiana w ogromnym stopniu przyczyni się do tego, jak szybko ciepło przemieszcza się we wnętrzu, co będzie kontrolować ruch wnętrza i reszty Ziemi”. „Planeta kształtuje się i deformuje z biegiem czasu” – powiedział Weeks. „Możemy o tym myśleć jako o wzorze wnętrz tych planet, ponieważ byłby to materiał kontrolujący ich deformację, który jest jednym z najważniejszych elementów budulcowych planet skalistych”.
Widok eksperymentów z laserem uderzeniowo-zagęszczonym na tlenku magnezu (MgO) wewnątrz komory w Laboratorium Energii Lasera. Lasery wysokoenergetyczne służą do kompresji próbek MgO do ciśnień przekraczających te występujące w centrum Ziemi. Do badania struktury krystalicznej MgO wykorzystuje się wtórne źródło promieniowania rentgenowskiego. Najjaśniejsze obszary świecą emisją plazmy w skali nanosekundowej. Źródło: June Weeks/Uniwersytet Johnsa Hopkinsa
Większy niż Ziemia, ale mniejszy niż giganci Neptun Lub UranSuper-Ziemie są głównymi celami Egzoplaneta Wyszukuje, ponieważ są powszechnie spotykane wśród innych układów słonecznych w galaktyce. Chociaż skład tych planet może być różny, od gazu po lód czy wodę, oczekuje się, że planety superskaliste zawierają duże ilości tlenku magnezu, który może wpływać na pole magnetyczne planety, wulkanizm i inne kluczowe zjawiska geofizyczne – stwierdził Weeks On Ziemia. .
Aby odtworzyć ekstremalne warunki, jakie ten minerał przetrwał podczas formowania się planet, zespół Wicka poddał małe próbki działaniu bardzo wysokiego ciśnienia za pomocą lasera Omega-EP w Laboratorium Energii Laserowej Uniwersytetu Rochester. Naukowcy zobrazowali także promieniowanie rentgenowskie i zarejestrowali, jak te promienie świetlne odbijają się od kryształów, aby śledzić, w jaki sposób ich atomy zmieniają położenie w odpowiedzi na rosnące ciśnienie, szczególnie odnotowując moment, w którym zmieniają się ze stałego w ciekły.
Po sprasowaniu z ogromną siłą atomy materiałów takich jak tlenek magnezu zmieniają swoje rozmieszczenie, aby utrzymać ciśnienie kruszenia. Dlatego w miarę wzrostu ciśnienia minerał zmienia się z „fazy” soli kamiennej przypominającej sól kuchenną w inną formację, taką jak inna sól zwana chlorkiem cezu. Prowadzi to do transformacji, która może mieć wpływ na lepkość metalu i jego wpływ na planetę w miarę starzenia się, powiedział Weeks.
Stabilność tlenku magnezu przy wysokich ciśnieniach
Wyniki zespołu pokazują, że tlenek magnezu może występować w obu fazach pod ciśnieniem od 430 do 500 gigapaskali i temperaturą około 9700 K, czyli prawie dwukrotnie wyższą od temperatury powierzchni Słońca. Eksperymenty pokazują również, że najwyższe ciśnienie, jakie metal może wytrzymać przed całkowitym stopieniem, sięga 600 GPa, czyli około 600 razy więcej niż ciśnienie, jakie można by wyczuć w najgłębszych okopach oceanicznych.
„Tlenek magnezu topi się w znacznie wyższej temperaturze niż jakakolwiek inna substancja lub minerał. Diament może być najtwardszym materiałem, ale to on topi się najdłużej” – powiedział Weeks. „Jeśli chodzi o ekstremalne materiały na małych planetach, jest to najprawdopodobniejsze być tlenkiem magnezu.” „Stały, podczas gdy wszystko inne w płaszczu zamieni się w ciecz”.
Weeks stwierdził, że badanie ukazuje stabilność i prostotę tlenku magnezu pod ekstremalnymi ciśnieniami i może pomóc naukowcom w opracowaniu dokładniejszych modeli teoretycznych w celu zbadania kluczowych pytań dotyczących zachowania tego i innych minerałów w skalistych światach takich jak Ziemia.
„Badanie jest listem miłosnym do tlenku magnezu, ponieważ, co zaskakujące, ma on najwyższą temperaturę topnienia, jaką znamy – przy ciśnieniach poza środkiem Ziemi – a mimo to zachowuje się jak zwykła sól” – powiedział Weeks. „To po prostu piękna, prosta sól, nawet przy tak rekordowych ciśnieniach i temperaturach”.
Odniesienie: „Przejście z B1 do B2 w tlenku magnezu prasowanym szokowo” autorstwa Johna K. Tygodnie, Saransh Singh, Marius Mellot, Dane E. Fratandono, Federica Copari, Martin J. Gorman, Zhixuan Yi, J. Ryan Rigg, Anirudh Hari, John H. Eggert, Thomas S. Duffy’ego i Raymonda F. Smitha, 7 czerwca 2024 r., Postęp nauki.
doi: 10.1126/sciadv.adk0306
Inni autorzy to Saransh Singh, Marius Mellot i Dane E. Fratandono, Federica Copari i Martin J. Gormana i Johna H. Eggert i Raymond F. Smith z Laboratorium Krajowego Lawrence Livermore; Zixuan Yi i Anirudh Hari z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa; J. Ryan Rigg z Uniwersytetu w Rochester; i Tomasz S. Duffy'ego z Uniwersytet Princeton.
Badania te były wspierane przez NNSA w ramach programu National Laser User Facility Program w ramach kontraktów nr DE-NA0002154 i DE-NA0002720 oraz programu badań i rozwoju ukierunkowanego na laboratorium w LLNL (projekt nr 15-ERD-012). Prace te zostały wykonane pod auspicjami Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych przez Lawrence Livermore National Laboratory w ramach umowy nr DE-AC52-07NA27344. Badania te były wspierane przez Krajową Administrację Bezpieczeństwa Jądrowego w ramach programu National Laser User Facility (Umowa nr DE-NA0002154 i DE-NA0002720) oraz Programu badań i rozwoju ukierunkowanego na laboratorium w LLNL (Projekt nr 15-ERD-014, 17 ). -ERD-014 i 20-ERD-044).
