Met behulp van krachtige laserstralen, onderzoekers hebben omstandigheden gesimuleerd in een planeet die drie keer zo groot is als de aarde.

Wetenschappers hebben meer dan 2 geïdentificeerd, 000 van deze "superaardes, " exoplaneten die groter zijn dan de aarde maar kleiner dan Neptunus, de op één na grootste planeet in ons zonnestelsel. Door te bestuderen hoe ijzer- en siliciumlegeringen reageren op buitengewone druk, wetenschappers krijgen nieuwe inzichten in de aard van superaardes en hun kernen.

"We hebben nu een techniek waarmee we direct toegang hebben tot de extreme druk van de diepe binnenste van exoplaneten en belangrijke eigenschappen kunnen meten, " zei Thomas Duffy, een professor in de geowetenschappen aan Princeton. "Eerder, wetenschappers waren beperkt tot theoretische berekeningen of lange extrapolaties van lagedrukgegevens. De mogelijkheid om directe experimenten uit te voeren stelt ons in staat om theoretische resultaten te testen en geeft ons een veel hogere mate van vertrouwen in onze modellen voor het gedrag van materialen onder deze extreme omstandigheden."

Het werk, wat resulteerde in de hoogste druk röntgendiffractiegegevens ooit geregistreerd, werd geleid door June Wicks toen ze associate research scientist was aan Princeton, werken met Duffy en collega's van het Lawrence Livermore National Laboratory en de Universiteit van Rochester. Hun resultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Omdat superaarden geen directe analogen hebben in ons eigen zonnestelsel, wetenschappers willen graag meer leren over hun mogelijke structuren en composities, en daardoor inzicht krijgen in de soorten planetaire architecturen die in onze melkweg kunnen bestaan. Maar ze hebben te maken met twee belangrijke beperkingen:we hebben geen directe metingen van onze eigen planetaire kern waaruit we kunnen extrapoleren, en de inwendige druk in superaarde kan meer dan 10 keer de druk in het centrum van de aarde bereiken, ver buiten het bereik van conventionele experimentele technieken.

De druk die in deze studie werd bereikt - tot 1, 314 gigapascal (GPa) - zijn ongeveer drie keer hoger dan eerdere experimenten, waardoor ze directer bruikbaar zijn voor het modelleren van de binnenstructuur van grote, rotsachtige exoplaneten, zei Duffy.

"De meeste hogedrukexperimenten gebruiken diamanten aambeeldcellen die zelden meer dan 300 GPa bereiken, " of 3 miljoen keer de druk aan het aardoppervlak, hij zei. De druk in de kern van de aarde kan oplopen tot 360 GPa.

"Onze aanpak is nieuwer, en veel mensen in de gemeenschap zijn er nog niet zo bekend mee, maar we hebben in dit (en eerdere) werk laten zien dat we routinematig een druk boven de 1 kunnen bereiken. 000 GPa of meer (zij het slechts voor een fractie van een seconde). Ons vermogen om deze zeer hoge druk te combineren met röntgendiffractie om structurele informatie te verkrijgen, biedt ons een nieuw hulpmiddel voor het verkennen van planetaire interieurs, " hij zei.

De onderzoekers comprimeerden twee samples voor slechts een paar miljardsten van een seconde, net lang genoeg om de atomaire structuur te onderzoeken met behulp van een puls van heldere röntgenstralen. Het resulterende diffractiepatroon gaf informatie over de dichtheid en kristalstructuur van de ijzer-siliciumlegeringen, onthullend dat de kristalstructuur veranderde met een hoger siliciumgehalte.

"De methode van gelijktijdige röntgendiffractie- en schokexperimenten staat nog in de kinderschoenen, dus het is opwindend om een ​​'real-world applicatie' te zien voor de kern van de aarde en daarbuiten, " zei Kanani Lee, een universitair hoofddocent geologie en geofysica aan de Yale University die niet betrokken was bij dit onderzoek.

Deze nieuwe techniek vormt een "zeer belangrijke" bijdrage op het gebied van onderzoek naar exoplaneten, zei Diana Valencia, een pionier in het veld en een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Toronto-Scarborough, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "Dit is een goede studie omdat we niet alleen extrapoleren van lage druk en hopen op het beste. Dit geeft ons eigenlijk dat 'beste, ' ons die gegevens te geven, en het beperkt daarom onze modellen beter."

Wicks en haar collega's richtten een korte maar intense laserstraal op twee ijzermonsters:een gelegeerd met 7 gewichtsprocent silicium, vergelijkbaar met de gemodelleerde samenstelling van de kern van de aarde, en een andere met 15 gewichtsprocent silicium, een samenstelling die mogelijk is in exoplanetaire kernen.

De kern van een planeet oefent controle uit over zijn magnetisch veld, thermische evolutie en massa-straal relatie, zei Duffy. "We weten dat de kern van de aarde bestaat uit een ijzerlegering met ongeveer 10 procent van een lichter element, en silicium is een van de beste kandidaten voor dit lichte element, zowel voor de aarde als voor planeten buiten het zonnestelsel."

De onderzoekers ontdekten dat bij ultrahoge druk, de lagere-siliciumlegering organiseerde zijn kristalstructuur in een hexagonale dicht opeengepakte structuur, terwijl de hogere siliciumlegering een op het lichaam gecentreerde kubische pakking gebruikte. Dat atomaire verschil heeft enorme implicaties, zei Wicks, die nu een assistent-professor is aan de Johns Hopkins University.

"Kennis van de kristalstructuur is het meest fundamentele stuk informatie over het materiaal waaruit het binnenste van een planeet bestaat, aangezien alle andere fysische en chemische eigenschappen volgen uit de kristalstructuur, " ze zei.

Wicks en haar collega's maten ook de dichtheid van de ijzer-siliciumlegeringen over een reeks drukken. Ze ontdekten dat bij de hoogste druk, de ijzer-siliciumlegeringen bereiken 17 tot 18 gram per kubieke centimeter - ongeveer 2,5 keer zo dicht als op het aardoppervlak, en vergelijkbaar met de dichtheid van goud of platina aan het aardoppervlak. Ze vergeleken hun resultaten ook met vergelijkbare onderzoeken op puur ijzer en ontdekten dat de siliciumlegeringen minder dicht zijn dan ongelegeerd ijzer, zelfs onder extreme druk.

"Een zuivere ijzeren kern is niet realistisch, " zei Duffy, "Omdat het proces van planetaire vorming onvermijdelijk zal leiden tot de opname van aanzienlijke hoeveelheden lichtere elementen. Onze studie is de eerste die deze meer realistische kerncomposities in overweging neemt."

De onderzoekers berekenden de dichtheid en drukverdeling binnen superaarde, voor het eerst rekening houdend met de aanwezigheid van silicium in de kern. Ze ontdekten dat het opnemen van silicium de gemodelleerde grootte van een planetaire kern vergroot, maar de centrale druk vermindert.

Toekomstig onderzoek zal onderzoeken hoe andere lichtelementen, zoals koolstof of zwavel, invloed op de structuur en dichtheid van ijzer bij ultrahoge druk. De onderzoekers hopen ook andere belangrijke fysieke eigenschappen van ijzerlegeringen te meten, modellen van het interieur van exoplaneten verder te beperken.

"Voor een geoloog, de ontdekking van zoveel extrasolaire planeten heeft de deur geopend naar een nieuw onderzoeksgebied, " zei Duffy. "We realiseren ons nu dat de variëteiten van planeten die er zijn veel verder gaan dan de beperkte voorbeelden in ons eigen zonnestelsel, en er is een veel breder drukveld, temperatuur en compositieruimte die moeten worden verkend. Inzicht in de interne structuur en samenstelling van deze grote, rotsachtige lichamen is nodig om fundamentele vragen te onderzoeken, zoals het mogelijke bestaan ​​van platentektoniek, magnetische veldgeneratie, hun thermische evolutie en zelfs of ze potentieel bewoonbaar zijn."