Эксперименты с лазером сверхвысокого давления проливают свет на ядра супер-Земель

Исследователи использовали мощные лазерные лучи для моделирования условий внутри планеты, в три раза превышающей размеры Земли. Ученые идентифицировали более 2000 таких "супер-Земель" — экзопланет, которые больше Земли, но меньше Нептуна. Изучая поведение сплавов железа и кремния при экстремальном давлении, они получают новые данные о природе этих планет и их ядер.

Работа, в ходе которой были получены данные рентгеновской дифракции при рекордно высоком давлении, была проведена под руководством Джун Уикс, работавшей в Принстонском университете, совместно с коллегами из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса и Университета Рочестера. Давление, достигнутое в исследовании — до 1314 гигапаскалей (ГПа), — примерно в три раза выше, чем в предыдущих экспериментах, что делает результаты более применимыми для моделирования внутренней структуры крупных каменистых экзопланет. Для сравнения, давление в ядре Земли достигает около 360 ГПа.

"У нас теперь есть методика, которая позволяет напрямую достигать экстремальных давлений глубоких недр экзопланет и измерять важные свойства, — сказал профессор геонаук Принстонского университета Томас Даффи. — Раньше ученые были ограничены либо теоретическими расчетами, либо длинными экстраполяциями данных низкого давления".

Исследователи сжали два образца на несколько миллиардных долей секунды, чтобы изучить атомную структуру с помощью импульса ярких рентгеновских лучей. Один образец представлял собой сплав железа с 7 вес.% кремния (состав, близкий к моделируемому для ядра Земли), другой — с 15 вес.% кремния (возможный состав для ядер экзопланет). Они обнаружили, что при сверхвысоких давлениях сплав с меньшим содержанием кремния имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру, а сплав с большим содержанием кремния — объемно-центрированную кубическую упаковку.

"Знание кристаллической структуры — это самая фундаментальная информация о материале, составляющем недра планеты, поскольку все остальные физические и химические свойства вытекают из нее", — отметила Джун Уикс, ныне доцент Университета Джонса Хопкинса.

Ученые также измерили плотность сплавов и обнаружили, что при самых высоких давлениях она достигает 17–18 граммов на кубический сантиметр, что примерно в 2,5 раза плотнее, чем на поверхности Земли, и сравнимо с плотностью золота или платины. Они впервые рассчитали распределение плотности и давления внутри супер-Земель с учетом присутствия кремния в ядре и выяснили, что кремний увеличивает модельный размер планетарного ядра, но снижает его центральное давление.

"Чистое железное ядро нереалистично, так как процесс формирования планеты неизбежно приводит к включению значительного количества более легких элементов. Наше исследование первым рассматривает эти более реалистичные составы ядер", — подчеркнул Томас Даффи.