Изследването описва ново поколение лазерни експерименти с висока мощност, които осигуряват първото абсолютно уравнение на състоянието на желязото при екстремни условия на налягане и плътност.
Група изследователи от Националната лаборатория в Ливърмор. Лорънс (LLNL), Принстънския университет, Университетът Джон Хопкинс и Университетът в Рочестър (САЩ) за първи път експериментално определи зависимостта на радиус на маса на хипотетична метална планета със свойствата на свръхземно ядро. Работата на учените е представена в списанието Nature Astronomy.
„Откриването на голям брой планети извън Слънчевата система беше едно от най-вълнуващите научни открития на това поколение. Тези изследвания повдигат основни въпроси. Какви са различните видове екстрасоларни планети и как се формират и развиват? Кой от тези предмети може да поддържа приемливи условия на живот на повърхността? За да разрешите тези проблеми, трябва да разберете състава и вътрешната структура на тези обекти “, казва Рей Смит, физик в LLNL и водещ автор на изследването.
Резултатите могат да бъдат използвани за оценка на състава на големи скалисти екзопланети, образувайки основата за бъдещи модели на планетарни дълбочини, които от своя страна могат да бъдат използвани за по-точно тълкуване на данните от наблюденията от космическата мисия Кеплер и да помогнат за определяне на обитаеми планети.
Известно е, че от над 4000 екзопланети и кандидати за тази роля, най-често срещаните са тези, които надвишават радиуса на Земята с 1-4 пъти. Такива екстрасоларни светове не са представени в нашата система. Това показва, че планетите се формират в по-широк диапазон от физически условия, отколкото се смяташе досега. Определянето на вътрешната структура и състав на свръх Земята е предизвикателство, но от решаващо значение за разбирането на многообразието и еволюцията на планетарните системи в нашата галактика.
Тъй като налягането в ядрото на екзопланета 5 пъти по-голямо от масата на Земята може да достигне два милиона атмосфери, основно изискване за ограничаване състава на екзопланета и нейната вътрешна структура е точното определяне на свойствата на материала при екстремно налягане. Желязото е доминиращият компонент на планетарните ядра на земноподобни планети. Детайлното разбиране на свойствата на желязото в условията на суперземя се превърна в голямо предизвикателство в изследванията на екипа на Рей Смит.
Учените описаха ново поколение мощни лазерни експерименти, които осигуряват първото абсолютно уравнение на състоянието на желязото при екстремно налягане и плътност в ядрото на супер Земята. Методът е подходящ за компресиране на вещества с минимално нагряване до налягане от 1 терапаскал (1 TPa = 10 милиона атмосфери).
Възстановяване на сърцевината на супер-земята в камерата на NIF, както се вижда от художника. Кредит: Марк Меъмбър (NIF).
Промоционално видео:
Експериментите са проведени в LLNL National Ignition Complex (NIF). NIF, най-големият и най-мощен лазер в света, може да достави до 2 мегаджола лазерна енергия за 30 наносекунди и да осигури необходимата лазерна мощност и контрол на компресията на материала до налягането на TPa. Експериментите на екипа достигнаха максимално налягане от 1,4 TPa, четири пъти по-голямо от налягането на предишните статични резултати, които описаха основните условия на свръхзема 3-4 пъти по-голяма от масата на Земята.
„Моделите на вътрешните планетарни устройства, базирани на описанието на композитни материали при екстремни налягания, обикновено екстраполират данни за ниско налягане и създават широк спектър от възможни състояния на материала. Нашите експериментални данни дават солидна основа за определяне на свойствата на свръхзема и хипотетична метална планета. В допълнение, изследването демонстрира способността да се определят уравнения на състоянието и други ключови термодинамични свойства на планетарните ядрени материали при налягания, доста над конвенционалните статични методи. Подобна информация е от решаващо значение за разбирането на структурата на големите скални екзопланети и тяхната еволюция , казва Рей Смит.
Бъдещите експерименти с NIF ще разширят изследването на материалите под няколко TPa налягания, като комбинират наносекундни рентгенови дифракционни техники за определяне на еволюцията на кристалната структура като функция на налягането.
Арина Василиева