In een artikel dat vandaag is gepubliceerd door Natuurastronomie , een team van onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Princeton Universiteit, Johns Hopkins University en de University of Rochester hebben de eerste experimenteel gebaseerde massa-radiusrelatie opgeleverd voor een hypothetische zuivere ijzeren planeet onder superaardse kerncondities.

Deze ontdekking kan worden gebruikt om plausibele compositorische ruimte te evalueren voor grote, rotsachtige exoplaneten, die de basis vormen voor toekomstige planetaire interieurmodellen, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om observatiegegevens van de Kepler-ruimtemissie nauwkeuriger te interpreteren en te helpen bij het identificeren van planeten die geschikt zijn voor bewoonbaarheid.

"De ontdekking van grote aantallen planeten buiten ons zonnestelsel is een van de meest opwindende wetenschappelijke ontdekkingen van deze generatie geweest, " zei Ray Smit, een natuurkundige bij LLNL en hoofdauteur van het onderzoek. "Deze ontdekkingen roepen fundamentele vragen op. Wat zijn de verschillende soorten extrasolaire planeten en hoe worden ze gevormd en geëvolueerd? Welke van deze objecten kunnen mogelijk oppervlaktecondities ondersteunen die geschikt zijn voor leven? Om dergelijke vragen te beantwoorden, het is noodzakelijk om de samenstelling en de interne structuur van deze objecten te begrijpen."

Van de meer dan 4 000 bevestigde en kandidaat-planeten buiten het zonnestelsel, degenen die één tot vier keer de straal van de aarde zijn, staan ​​​​nu bekend als de meest voorkomende. Dit maatbereik, die zich uitstrekt tussen de aarde en Neptunus, is niet vertegenwoordigd in ons eigen zonnestelsel, wat aangeeft dat planeten zich vormen over een breder scala van fysieke omstandigheden dan eerder werd gedacht.

"Het bepalen van de interne structuur en samenstelling van deze superaardse planeten is een uitdaging, maar is cruciaal voor het begrijpen van de diversiteit en evolutie van planetaire systemen in onze melkweg, ' zei Smit.

Aangezien de kerndruk voor zelfs een planeet met een massa van 5 × aarde kan oplopen tot 2 miljoen atmosfeer, een fundamentele vereiste voor het beperken van exoplanetaire samenstelling en inwendige structuur is een nauwkeurige bepaling van de materiaaleigenschappen bij extreme drukken. IJzer (Fe) is een kosmochemisch overvloedig element en, als het dominante bestanddeel van terrestrische planetaire kernen, is een belangrijk materiaal voor het bestuderen van superaardse interieurs. Een gedetailleerd begrip van de eigenschappen van ijzer onder superaardse omstandigheden is een essentieel onderdeel van de experimenten van het team.

De onderzoekers beschrijven een nieuwe generatie krachtige laserexperimenten, die hellingcompressietechnieken gebruiken om de eerste absolute vergelijking van toestandsmetingen van Fe te bieden bij de extreme druk- en dichtheidsomstandigheden die worden aangetroffen in superaardkernen. Een dergelijke schokvrije dynamische compressie is bij uitstek geschikt voor het comprimeren van materie met minimale verwarming tot TPa-drukken (1 TPa =10 miljoen atmosfeer).

De experimenten werden uitgevoerd in de National Ignition Facility (NIF) van de LLNL. NIF, 's werelds grootste en meest energieke laser, kan tot 2 megajoule laserenergie gedurende 30 nanoseconden leveren en biedt de nodige laserkracht en controle om comprimeringsmaterialen op te voeren tot TPa-drukken. De experimenten van het team bereikten een piekdruk van 1,4 TPa, vier keer hogere druk dan eerdere statische resultaten, die kernvoorwaarden vertegenwoordigen die met een 3-4x aardmassaplaneet worden gevonden.

"Planetaire interieurmodellen, die berusten op een beschrijving van de samenstellende materialen onder extreme druk, zijn gewoonlijk gebaseerd op extrapolaties van lagedrukgegevens en produceren een breed scala aan vooraf bepaalde materiële toestanden. Onze experimentele gegevens bieden een stevigere basis voor het vaststellen van de eigenschappen van een superaardse planeet met een zuivere ijzeren planeet, " zei Smith. "Bovendien, onze studie toont het vermogen aan voor het bepalen van toestandsvergelijkingen en andere belangrijke thermodynamische eigenschappen van planetaire kernmaterialen bij drukken die veel hoger zijn dan die van conventionele statische technieken. Dergelijke informatie is cruciaal voor ons begrip van de structuur en dynamiek van grote rotsachtige exoplaneten en hun evolutie."

Toekomstige experimenten met NIF zullen de studie van planetaire materialen uitbreiden tot verschillende TPa, terwijl röntgendiffractietechnieken van nanoseconden worden gecombineerd om de kristalstructuurevolutie met druk te bepalen.