Схематическая иллюстрация экспериментальной установки, доступной на конечной станции MEC. Четыре детектора epiX 10k охватывают диапазон добротности от 15 до 106 нм-1 при энергии рентгеновского пучка 17 кэВ. Диффузное рассеяние, записанное на каждом детекторе, можно затем сшить для восстановления полного сигнала. Фото: Nature Communications (2024 г.). DOI: 10.1038/s41467-024-51796-7
Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики раскрыли новые подробности о границе ядра и мантии Земли и подобных областях, обнаруженных на экзопланетах.
Команда под руководством Гийома Морара, ученого из Университета Гренобля и Университета Сорбонны во Франции, использовала рентгеновский лазер Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC для исследования поведения расплавленной породы в экстремальных условиях. Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
«Это исследование знаменует собой значительный прогресс в нашем понимании глубинных недр Земли», — сказала соавтор и старший научный сотрудник SLAC Арианна Глисон. «Результаты подчеркивают потенциал передовых рентгеновских методов для раскрытия скрытых тайн нашей планеты и за ее пределами».
Примерно в 1800 милях под поверхностью Земли находится бурлящая область магмы, зажатая между твердой мантией на основе силиката и расплавленным, богатым железом ядром: границей ядро-мантия. Это пережиток давних времен, примерно 4,3–4,5 миллиардов лет назад, когда вся планета была расплавленной. Хотя экстремальное давление и температура в этом регионе затрудняют его изучение, он содержит ключ к разгадке истории происхождения Земли и понимание внутренних процессов на планете.
Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали передовые рентгеновские методы, чтобы воссоздать условия, ожидаемые в средней и нижней мантии экзопланет, в два-три раза превышающих размер Земли. Используя жесткие рентгеновские лучи с более высокими уровнями энергии, чем это было возможно ранее, исследователи смогли увидеть, как расположены атомы в расплавленной породе. Команда также использовала компьютерное моделирование для сравнения с экспериментальными данными, что позволило получить полное представление о свойствах расплавленных силикатов.
Один неожиданный результат касался роли железа в расплавленной породе. Вопреки ожиданиям, изменение содержания железа существенно не изменило плотность породы. Это открытие особенно актуально для нашего понимания формирования Земли, где поверхность когда-то была расплавленной породой, а разница в плотности между кристаллическими и расплавленными материалами существенно повлияла на развитие планеты.
Исследование также предполагает, что эта атомная реакция на сжатие может изменить свойства расплавов при давлениях, которые, как ожидается, будут обнаружены в магматических океанах суперземель, экзопланет с массами почти в три раза больше, чем у Земли. Это потенциально может повлиять на их раннее развитие иначе, чем на более мелкие каменистые планеты, такие как Земля и Венера в нашей Солнечной системе.
Исследование подчеркивает важность современных экспериментальных инструментов для изучения условий высокого давления и высоких температур. Команда надеется, что их результаты приведут к дальнейшему развитию этих инструментов, открыв новые направления исследований в науках о Земле и планетах.
«Теперь, когда мы знаем, что можем получить данные такого качества и достичь этих условий, мы хотим продвинуться дальше в экзопланетных режимах», — сказал Глисон. «Способность создавать давление, в три раза превышающее давление в мантии Земли, впечатляет. Она расширяет наше понимание свойств силиката в экстремальных условиях, что имеет решающее значение как для исследований Земли, так и для изучения экзопланет».
Информация от: Национальной ускорительной лабораторией SLAC.
