Оксид магния: от Земли до суперземель

Мантии Земли и других каменистых планет богаты магнием и кислородом. Благодаря своей простоте, минерал оксид магния (MgO) является хорошей моделью для изучения природы планетных недр. Новое исследование команды под руководством Стюарта Маквильямса из Института Карнеги изучило поведение MgO в экстремальных условиях глубоких недр планет и обнаружило свидетельства, меняющие наше понимание планетарной эволюции. Работа опубликована 22 ноября в Science Express.

MgO оказался особенно устойчив к изменениям под воздействием колоссальных давлений и температур. Теоретические предсказания утверждают, что при планетарных условиях он существует всего в трёх уникальных состояниях с разной структурой и свойствами: твёрдом при обычных условиях (например, на поверхности Земли), жидком при высоких температурах и в другой твёрдой структуре при высоком давлении. Последняя структура ранее никогда не наблюдалась ни в природе, ни в экспериментах.

Маквильямс и его команда наблюдали за MgO при давлениях от примерно 3 млн до 14 млн атмосфер (0.3–1.4 терапаскалей) и температурах до 90 000°F (50 000 K). Эти условия соответствуют диапазону от центра Земли до недр крупных экзопланет — суперземель. Наблюдения показали существенные изменения в молекулярных связях, включая превращение в новую высокотемпературную твёрдую фазу. Более того, при плавлении MgO меняет свойства от электроизолятора (как кварц) до металла, подобного железу.

Исходя из этих и других недавних наблюдений, команда заключила, что хотя MgO сегодня на Земле твёрдый и непроводящий, магматический океан ранней Земли мог генерировать магнитное поле. Аналогично, металлическая жидкая фаза MgO может существовать сегодня в глубоких мантиях планет-суперземель, как и новая наблюдаемая твёрдая фаза.

«Наши находки размывают границу между традиционными определениями материала мантии и ядра и указывают путь к пониманию того, как молодые или горячие планеты могут генерировать и поддерживать магнитные поля», — сказал Маквильямс.