Nová štúdia odhaľuje, že oxid horečnatý, kľúčový minerál pri tvorbe planét, môže byť prvým, ktorý stuhne pri vývoji exoplanét „super-Zeme“, pričom jeho správanie v extrémnych podmienkach výrazne ovplyvňuje vývoj planét.

Vedci po prvý raz pozorovali, ako sa atómy oxidu horečnatého transformujú a topia za extrémne extrémnych podmienok, čím poskytli nový pohľad na tento kľúčový minerál v zemskom plášti, o ktorom je známe, že ovplyvňuje formovanie planét.

Vysokoenergetické laserové experimenty – ktoré podrobili drobné kryštály kovu takému druhu tepla a tlaku, aký sa nachádza hlboko v plášti skalnej planéty – naznačujú, že zlúčenina by mohla byť prvým kovom, ktorý stuhne z oceánov magmy a vytvorí „super-Zeme“. exoplanéty.

„Oxid horečnatý by mohol byť najdôležitejšou pevnou látkou, ktorá riadi termodynamiku vznikajúcej super-Zeme,“ povedal John Weeks, odborný asistent pozemských a planetárnych vied na Univerzite Johna Hopkinsa, ktorý viedol výskum. „Ak má veľmi vysokú teplotu topenia, bude prvou pevnou látkou, ktorá vykryštalizuje, keď horúca kamenná planéta začne chladnúť a jej vnútro sa rozdelí na jadro a plášť.“

Dôsledky pre mladé planéty

Výsledky boli nedávno zverejnené v r Pokrok vedy.

Poukazujú na to, že spôsob, akým oxid horečnatý prechádza z jednej formy do druhej, by mohol mať dôležité dôsledky pre faktory, ktoré riadia, či bude mladá planéta snehová guľa alebo roztavený kameň, či sa vyvinú vodné oceány alebo atmosféra, alebo či bude mať nejakú kombináciu týchto vlastností. .

„V super-Zemách, kde tento materiál bude veľkou súčasťou plášťa, jeho premena výrazne prispeje k tomu, ako rýchlo sa teplo pohybuje vo vnútri, čo bude riadiť, ako sa bude pohybovať vnútro a zvyšok Zeme.“ „Planéta sa časom formuje a deformuje,“ povedal Weeks. „Môžeme o tom uvažovať ako o proxy pre interiéry týchto planét, pretože to by bol materiál, ktorý riadi ich deformáciu, čo je jeden z najdôležitejších stavebných kameňov kamenných planét.“

Pohľad na šokovo zhutnené laserové experimenty s oxidom horečnatým (MgO) vo vnútri komory v Laboratóriu laserovej energie. Vysokoenergetické lasery sa používajú na kompresiu vzoriek MgO na tlaky presahujúce tlaky v strede Zeme. Na skúmanie kryštálovej štruktúry MgO sa používa sekundárny zdroj röntgenového žiarenia. Najjasnejšie oblasti žiaria emisiou plazmy v nanosekundových časových intervaloch. Kredit: June Weeks/Johns Hopkins University

Väčší ako Zem, ale menší ako majú obri radi Neptún alebo UránSuper-Zeme sú hlavnými cieľmi Exoplanéta Vyhľadáva, pretože sa bežne vyskytujú medzi inými slnečnými sústavami v galaxii. Zatiaľ čo zloženie týchto planét sa môže líšiť od plynu po ľad alebo vodu, očakáva sa, že superskalné planéty budú obsahovať veľké množstvo oxidu horečnatého, ktorý by mohol ovplyvniť aj magnetické pole planéty, vulkanizmus a ďalšie kľúčové geofyziky, povedal Weeks zem. .

Aby napodobnil extrémne podmienky, ktoré by tento minerál vydržal počas formovania planéty, Wickov tím vystavil malé vzorky veľmi vysokým tlakom pomocou laserového zariadenia Omega-EP v Laboratóriu laserovej energie Univerzity v Rochesteri. Vedci tiež zobrazili röntgenové lúče a zaznamenali, ako sa tieto svetelné lúče odrazili od kryštálov, aby sledovali, ako sa ich atómy preusporiadali v reakcii na zvyšujúci sa tlak, konkrétne zaznamenali bod, v ktorom sa zmenili z pevnej látky na kvapalinu.

Atómy materiálov, ako je oxid horečnatý, pri stlačení extrémnou silou zmenia svoje usporiadanie, aby udržali drviace tlaky. To je dôvod, prečo sa minerál mení z „fázy“ kamennej soli, ktorá sa podobá kuchynskej soli, na inú formáciu, ako je iná soľ nazývaná chlorid cézny, keď sa zvyšuje tlak. To vedie k transformácii, ktorá môže ovplyvniť viskozitu minerálu a jeho vplyv na planétu, keď starne, povedal Weeks.

Stabilita oxidu horečnatého pri vysokých tlakoch

Výsledky tímu ukazujú, že oxid horečnatý môže existovať v oboch fázach pri tlakoch 430 až 500 gigaPascalov a teplotách okolo 9 700 K, čo je takmer dvojnásobok teploty povrchu Slnka. Experimenty tiež ukazujú, že najvyšší tlak, ktorý kov dokáže vydržať pred úplným roztavením, je viac ako 600 gigapascalov, čo je asi 600-násobok tlaku, ktorý by človek pociťoval v najhlbších oceánskych priekopách.

„Oxid horečnatý sa topí pri oveľa vyššej teplote ako ktorákoľvek iná látka alebo minerál.“ Diamant môže byť najtvrdším materiálom, ale to je to, čo sa roztopí, “ povedal Weeks: „Pokiaľ ide o extrémne materiály na malých planétach, je to veľmi pravdepodobné byť oxid horečnatý.“

Weeks uviedol, že štúdia ukazuje stabilitu a jednoduchosť oxidu horečnatého pri extrémnych tlakoch a môže pomôcť vedcom vyvinúť presnejšie teoretické modely na preskúmanie kľúčových otázok o správaní tohto a iných minerálov v skalnatých svetoch, ako je Zem.

„Štúdia je milostným listom oxidu horečnatému, pretože má prekvapivo najvyššiu teplotu topenia, akú poznáme – pri tlakoch za stredom Zeme – a stále sa správa ako bežná soľ,“ povedal Weeks. „Je to jednoducho krásna, jednoduchá soľ, dokonca aj pri týchto rekordných tlakoch a teplotách.“

Odkaz: „Prechod B1 na B2 v šokovo lisovanom oxide horečnatom“ od Johna K. Weeks, Saransh Singh, Marius Mellot, Dane E. Fratandono, Federica Copari, Martin J. Gorman, Zhixuan Yi, J. Hrajú: Ryan Rigg, Anirudh Hari, John H. Eggert, Thomas S. Duffy a Raymond F. Smith, 7. júna 2024, Pokrok vedy.
doi: 10.1126/sciadv.adk0306

Ďalšími autormi sú Saransh Singh, Marius Mellot a Dane E. Fratandono, Federica Copari a Martin J. Gorman a John H. Eggert a Raymond F. Smith z Národného laboratória Lawrence Livermore; Zixuan Yi a Anirudh Hari z Johns Hopkins University; C. Ryan Rigg z University of Rochester; a Thomas S. Duffy z Princetonská univerzita.

Tento výskum podporila NNSA prostredníctvom programu National Laser User Facility Program podľa zmluvy č. DE-NA0002154 a DE-NA0002720 a Laboratórne riadeného programu výskumu a vývoja v LLNL (Projekt č. 15-ERD-012). Táto práca bola vykonaná pod záštitou Ministerstva energetiky USA v Národnom laboratóriu Lawrence Livermore na základe zmluvy č. DE-AC52-07NA27344. Tento výskum podporila Národná správa jadrovej bezpečnosti prostredníctvom Národného programu pre používateľov laserových zariadení (zmluva č. DE-NA0002154 a DE-NA0002720) a Laboratórne riadeného výskumného a vývojového programu v LLNL (projekt č. 15-ERD-014, 17 ). -ERD-014 a 20-ERD-044).