Samen met zijn esthetische functie om de glorieuze Aurora Borealis te helpen creëren, of Noorderlicht, het krachtige magnetische veld rond onze planeet heeft ook een vrij belangrijke praktische waarde:het maakt leven mogelijk.

Door schadelijke geladen deeltjes van de zon en de kosmische straling af te buigen die de planeet constant bombarderen, en voorkomen dat de zonnewind de atmosfeer erodeert, Het magnetische veld van de aarde heeft ervoor gezorgd dat meercellige levensvormen tot en met de mens zich hebben kunnen ontwikkelen en overleven.

En nu, met de ontdekking van duizenden planeten buiten het zonnestelsel die bekend staan ​​als exoplaneten, wetenschappers willen graag weten of rotsachtige "superaardes, " tot 10 keer massiever dan de aarde, misschien ook het leven kunnen herbergen.

"Het vinden van bewoonbare exoplaneten is een van de drie belangrijkste doelen van de planetaire wetenschap en astronomiegemeenschappen, " zei Rick Kraus, natuurkundige van het Lawrence Livermore National Laboratory. "Met deze ontdekkingen komen veel vragen:hoe zien deze planeten eruit? Is ons zonnestelsel uniek? Is de aarde uniek? Of meer specifiek, is de aarde uniek bewoonbaar?"

Die vragen hebben een huidige National Ignition Facility (NIF) Discovery Science-campagne geïnspireerd om te bepalen of gigantische rotsachtige planeten aardachtige magnetische velden kunnen hebben. Een atmosfeer, mild klimaat en vloeibaar water worden meestal beschouwd als de basisbehoeften voor het leven zoals we weten dat het zich ontwikkelt, maar de aanwezigheid van een magnetisch veld is even belangrijk, zei Kraus. "Actieve platentektoniek en een magnetosfeer worden beide beschouwd als vereisten voor een bewoonbare exoplaneet, " zei hij. "Een stabiele oppervlakteomgeving vrij van ioniserende straling is een van de belangrijkste eigenschappen van een planeet die als een vereiste voor bewoonbaarheid wordt beschouwd."

Het magnetisch veld van de aarde wordt gegenereerd als convectiestromen in de buitenste kern van vloeibaar ijzer van de planeet worden verdraaid door de spin van de planeet, het creëren van een magneto-dynamo die de magnetosfeer produceert (dynamo's zetten mechanische energie om in elektrische energie of in dit geval, magnetisme). Een planeet met alleen een vaste kern heeft misschien geen magnetisch veld, en het is dus onwaarschijnlijk dat we het leven zullen herbergen zoals wij dat kennen.

"We moeten de smeltovergang van de ijzeren kernen begrijpen om te bepalen of het zelfs mogelijk is om een ​​vloeibare buitenkern en een vaste binnenkern in een superaarde te hebben, ' zei Kraus.

Smeltcurve is van cruciaal belang

"De interne druk van superaarde is zo extreem, tot 35 miljoen keer de (aarde) atmosferische druk, dat we heel weinig informatie hebben over hoe materialen zich daarbinnen kunnen gedragen, " voegde hij eraan toe. "De smeltcurve van ijzer is van cruciaal belang voor het beantwoorden van de vraag of een superaarde een beschermende magnetosfeer zou kunnen hebben. Het is de door druk geïnduceerde stolling van ijzer die de latente warmte vrijgeeft die de complexe convectieve stroming in de kern van een planeet aandrijft."

Het onderzoeksteam gebruikt een experimenteel NIF-platform genaamd TARDIS (target diffraction in situ) om de smeltcurve van ijzer te bestuderen bij drukken variërend van vijf tot 20 megabar (vijf tot 20 miljoen aardatmosfeer). De TARDIS-röntgendiffractiediagnose is ontworpen om licht te werpen op de faseveranderingen, of structurele overgangen tussen toestanden van materie, die voorkomen in materialen onder zulke extreme drukken en temperaturen (zie "NIF's TARDIS Aims to Conquer Time and Space").

De campagne bouwt voort op een nieuwe experimentele techniek die is ontwikkeld in de Omega Laser Facility aan de Universiteit van Rochester. De onderzoekers schokken een ijzermonster zodat het vloeibaar wordt bij 2,5 Mbar en gebruiken vervolgens ramp (schokloze) compressie om het te comprimeren tot 10 Mbar. In situ röntgendiffractie, momenteel het meest geaccepteerde middel voor het meten van smelten en stollen, wordt gebruikt om te bevestigen dat de eerste schok het materiaal smolt en dat de daaropvolgende compressiegolf ervoor zorgde dat het opnieuw stolde (in tegenstelling tot schokcompressie, ramp-compressie houdt de monstertemperaturen laag en maakt de studie van materie die is gecomprimeerd tot extreme dichtheden mogelijk).

"De experimenten vertegenwoordigen ook een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van wat er kan worden onderzocht over het smelten van ijzer met behulp van statische compressie-experimenten, " zei de hoofdonderzoeker van de campagne, Russell Hemley van de George Washington-universiteit, directeur van het Carnegie/DOE Alliance Center (CDAC). "Die experimenten tot nu toe waren beperkt tot een druk van ongeveer drie Mbar - of de druk van de kern van de aarde - en waren controversieel. Daarom zullen de nieuwe resultaten ook ons ​​begrip van de kern van onze eigen planeet verbeteren en cruciale informatie verschaffen over de aard van superaardes en hun potentiële bewoonbaarheid.

"Een manier om over dit experiment na te denken, ’ zei Kraus, "is dat we de schokgolf gebruiken om een ​​warme, dichte thermische toestand in het ijzer te creëren, vergelijkbaar met die in de buitenste kern van vloeibaar ijzer van een superaarde. Dan, door vervolgens het ijzer schokloos samen te drukken, simuleren we het thermodynamische pad dat zou worden ervaren door een pakket ijzer dat diep in de vloeibare kern van een superaarde conveceert. Met röntgendiffractie, we kunnen direct de vraag beantwoorden of dat pakket ijzer zou stollen als het een voorgeschreven diepte bereikt."

NIF is de enige faciliteit die deze extreme toestanden van materie kan bereiken en onderzoeken. De experimenten vereisen de hoge en aanhoudende energie-intensiteit die alleen haalbaar is op NIF, en het unieke pulsvormende vermogen van de laser maakt een hellingscompressie van ijzer mogelijk van 5 tot 20 Mbar. De campagne werd bekroond met zes shotdagen in de boekjaren 2016 tot 2018, genoeg voor 12 experimenten.

"Als we stolling waarnemen - diffractie van gestold ijzer - op de veel kortere tijdschaal van een laserexperiment, ’ zei Kraus, "dan weten we dat de smeltcurve steil genoeg is om een ​​vaste binnenkern en een vloeibare buitenkern te hebben, die een magneto-dynamo in superaarde mogelijk zou kunnen maken. Vervolgens, ons doel is om de verschillende entropietoestanden te verkennen, of temperatuurprofielen, dat kan worden bereikt in de kernen van superaarde en onderzoekt het thermodynamische pad dat wordt afgelegd door een dalend vloeibaar ijzerpakket. Deze ontdekking zou een cruciale stap voorwaarts zijn bij het bepalen van de soorten extra-solaire planeten die bewoonbaar zouden kunnen zijn."