Измерение оптической толщины ударного MgO в зависимости от давления. Фото: Достижения науки (2024 г.). DOI: 10.1126/sciadv.adk0306.
Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) и Университета Джонса Хопкинса раскрыли новые тайны внутреннего строения экзопланет-суперземли, что потенциально может произвести революцию в нашем понимании этих далеких миров.
В центре внимания этой работы находится оксид магния (MgO), важнейший компонент нижней мантии Земли, который, как полагают, играет аналогичную роль в мантиях массивных скалистых экзопланет. Поведение MgO, известного своей простой кристаллической структурой каменной соли (B1) и геофизическим значением, в экстремальных условиях уже давно интригует ученых.
Часто предполагается, что суперземли, планеты с массой и радиусом больше Земли, но меньше ледяных гигантов, таких как Нептун, имеют состав, аналогичный планетам земной группы в нашей Солнечной системе. Учитывая экстремальное давление и температуру внутри их мантии, ожидается, что MgO преобразуется из структуры B1 в структуру хлорида цезия (B2). Это преобразование существенно меняет свойства MgO, включая резкое уменьшение вязкости, что может радикально повлиять на внутреннюю динамику планеты.
Чтобы точно определить давление, при котором происходит этот переход, команда LLNL и ее коллеги разработали новую экспериментальную платформу. Эта платформа сочетает в себе лазерное ударное сжатие с одновременными измерениями давления, кристаллической структуры, температуры, микроструктурной текстуры и плотности — беспрецедентный подход.
Проведя 12 экспериментов на лазерной установке Omega-EP в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета, ученые сжимали MgO до сверхвысоких давлений до 634 ГПа (6,34 миллиона атмосфер) в течение нескольких наносекунд. Используя наносекундный источник рентгеновского излучения, они исследовали атомную структуру MgO в этих условиях.
Сводка результатов монокристаллического MgO. Фото: Достижения науки (2024 г.). DOI: 10.1126/sciadv.adk0306.
Результаты были поразительными: фазовый переход B1 в B2 в MgO произошел в диапазоне давлений 400–430 ГПа при температуре обжига около 9700 К. За пределами 470 ГПа наблюдалось сосуществование B2-жидкости с полным плавлением при 634 ГПа.
«Это исследование дает первые прямые на атомном уровне и термодинамические ограничения начала фазового превращения B1 в B2 в зависимости от давления и температуры и представляет собой самые высокотемпературные данные рентгеновской дифракции, когда-либо зарегистрированные», — сказал ученый LLNL Рэй Смит, автор исследования статья, опубликованная в журнале Science Advances. «Эти данные необходимы для разработки точных моделей внутренних процессов суперземли».
Переход B1–B2 является моделью других структурных фазовых превращений, привлекая десятилетия теоретических исследований, сосредоточенных на атомных путях, способствующих этому изменению. Используя передовую модель для моделирования условий дифракции рентгеновских лучей, исследовательская группа смогла прояснить механизм перехода B1-B2 в MgO.
«Наши данные дифракции рентгеновских лучей обеспечивают прямые измерения изменений на атомном уровне в MgO при ударном сжатии и первое определение механизма фазового перехода при глубоком мантийном давлении экзопланет суперземли», — сказал ученый LLNL Саранш Содерлинд.
В число других участников исследования входят ученые LLNL Мариус Миллот, Дейн Фратандуоно, Федерика Коппари, Мартин Горман и Джон Эггерт, а также сотрудники из Университета Джонса Хопкинса, Университета Рочестера, Принстонского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC.
Информация от: Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса
