De studie beschrijft een nieuwe generatie krachtige laser-experimenten die de eerste absolute toestandsvergelijking voor ijzer onder extreme druk- en dichtheidsomstandigheden opleveren.
Een groep onderzoekers van het Livermore National Laboratory. Lawrence (LLNL), Princeton University, Johns Hopkins University en de University of Rochester (VS) bepaalden voor het eerst experimenteel de massastraalafhankelijkheid van een hypothetische metalen planeet met de eigenschappen van een superaardekern. Het werk van wetenschappers wordt gepresenteerd in het tijdschrift Nature Astronomy.
“De ontdekking van een groot aantal planeten buiten het zonnestelsel was een van de meest opwindende wetenschappelijke ontdekkingen van deze generatie. Deze onderzoeken roepen fundamentele vragen op. Wat zijn de verschillende soorten extrasolaire planeten, en hoe ontstaan en evolueren ze? Welke van deze objecten kunnen aan de oppervlakte acceptabele leefomstandigheden handhaven? Om deze problemen aan te pakken, moet u de samenstelling en interne structuur van deze objecten begrijpen”, zegt Ray Smith, natuurkundige bij LLNL en hoofdauteur van het onderzoek.
De resultaten kunnen worden gebruikt om de samenstelling van grote rotsachtige exoplaneten te beoordelen, en vormen de basis voor toekomstige modellen van planetaire diepten, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om waarnemingsgegevens van de Kepler-ruimtemissie nauwkeuriger te interpreteren en om bewoonbare planeten te helpen bepalen.
Het is bekend dat van de meer dan 4.000 exoplaneten en kandidaten voor deze rol, de meest voorkomende diegenen zijn die de straal van de aarde 1-4 keer overschrijden. Dergelijke extrasolaire werelden zijn niet vertegenwoordigd in ons systeem. Dit geeft aan dat er planeten worden gevormd in een groter aantal fysieke omstandigheden dan eerder werd gedacht. Het bepalen van de interne structuur en samenstelling van superaardes is een uitdaging, maar cruciaal voor het begrijpen van de diversiteit en evolutie van planetaire systemen in onze melkweg.
Aangezien de druk in de kern van een exoplaneet 5 keer de massa van de aarde twee miljoen atmosfeer kan bereiken, is een fundamentele vereiste voor het beperken van de samenstelling van een exoplaneet en zijn interne structuur het nauwkeurig bepalen van de eigenschappen van het materiaal onder extreme druk. IJzer is de dominante component van de planetaire kernen van aardse planeten. Een gedetailleerd begrip van de eigenschappen van ijzer in bovenaardse omstandigheden werd een grote uitdaging in het onderzoek van het team van Ray Smith.
Wetenschappers hebben een nieuwe generatie krachtige laser-experimenten beschreven die de eerste absolute toestandsvergelijking opleveren voor ijzer onder extreme druk en dichtheid in de kern van de superaarde. De methode is geschikt voor het comprimeren van materie met minimale verwarming tot een druk van 1 terapascal (1 TPa = 10 miljoen atmosfeer).
Recreatie van de kern van de superaarde in de NIF-camera zoals gezien door de kunstenaar. Krediet: Mark Meamber (NIF).
Promotie video:
De experimenten zijn uitgevoerd in het LLNL National Ignition Complex (NIF). De NIF, 's werelds grootste en krachtigste laser, kan tot 2 megajoule laserenergie leveren in 30 nanoseconden en het vereiste laservermogen en controle van materiaalcompressie leveren tot aan TPa-drukken. De experimenten van het team bereikten een piekdruk van 1,4 TPa, vier keer de druk van de vorige statische resultaten, die de basiscondities van een superaarde die 3-4 keer de massa van de aarde beschrijft.
“Interne planetaire apparaatmodellen gebaseerd op de beschrijving van composietmaterialen bij extreme drukken extrapoleren doorgaans lagedrukgegevens en creëren een breed scala aan mogelijke materiaaltoestanden. Onze experimentele gegevens bieden een solide basis voor het bepalen van de eigenschappen van een superaarde en een hypothetische metalen planeet. Bovendien toont de studie het vermogen aan om toestandsvergelijkingen en andere belangrijke thermodynamische eigenschappen van planetaire kernmaterialen te bepalen bij drukken die ver boven conventionele statische methoden liggen. Dergelijke informatie is van cruciaal belang om inzicht te krijgen in de structuur van grote rotsachtige exoplaneten en hun evolutie”, zegt Ray Smith.
Toekomstige NIF-experimenten zullen de studie van materialen onder verschillende TPa-drukken uitbreiden door nanoseconde röntgendiffractietechnieken te combineren om de evolutie van de kristalstructuur als functie van druk te bepalen.
Arina Vasilieva
