Ver onder het aardoppervlak, ongeveer 1, 800 mijl diep, ligt een kolkend magmatisch gebied ingeklemd tussen de vaste op silicaat gebaseerde mantel en de gesmolten ijzerrijke kern:de kern-mantelgrens. Het is een overblijfsel van vroeger, de oerdagen ongeveer 4,5 miljard jaar geleden, toen de hele planeet gesmolten was, een eindeloze zee van magma. Hoewel de extreme druk en temperaturen in de regio het moeilijk maken om te studeren, het bevat aanwijzingen over het mysterieuze oorsprongsverhaal van de wereld zoals wij die kennen.

"We proberen nog steeds uit te zoeken hoe de aarde zich eigenlijk begon te vormen, hoe het transformeerde van een gesmolten planeet naar een planeet met levende wezens die rondliepen op zijn silicaatmantel en korst, " zegt Arianna Gleason, een wetenschapper bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy. "Als we meer te weten komen over de vreemde manieren waarop materialen zich onder verschillende druk gedragen, kunnen we enkele hints geven."

Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben een manier ontwikkeld om vloeibare silicaten te bestuderen onder de extreme omstandigheden in de kern-mantelgrens. Dit zou kunnen leiden tot een beter begrip van de vroege gesmolten dagen van de aarde, die zich zelfs zou kunnen uitstrekken tot andere rotsachtige planeten. Het onderzoek werd geleid door wetenschappers Guillaume Morard en Alessandra Ravasio. Het team, waaronder Gleason en andere onderzoekers van SLAC en Stanford University, publiceerden hun bevindingen deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Er zijn kenmerken van vloeistoffen en glazen, in het bijzonder silicaatsmelten, die we niet begrijpen, " zegt Morard, een wetenschapper aan de Universiteit van Grenoble en de Sorbonne Universiteit in Frankrijk. "Het probleem is dat gesmolten materialen intrinsiek uitdagender zijn om te bestuderen. Door onze experimenten waren we in staat om geofysische materialen te onderzoeken bij de extreem hoge temperaturen en drukken van de diepe aarde om hun vloeibare structuur aan te pakken en te leren hoe ze zich gedragen. In de toekomst zullen we in staat zijn om dit soort experimenten te gebruiken om de eerste momenten van de aarde na te bootsen en de processen te begrijpen die haar hebben gevormd."

Heter dan de zon

Bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenvrije-elektronenlaser, de onderzoekers stuurden eerst een schokgolf door een silicaatmonster met een zorgvuldig afgestelde optische laser. Hierdoor konden ze een druk bereiken die lijkt op die van de aardmantel, 10 keer hoger dan eerder bereikt met vloeibare silicaten, en temperaturen zo hoog als 6, 000 Kelvin, iets heter dan het oppervlak van de zon.

Volgende, de onderzoekers raakten het monster met ultrasnelle röntgenlaserpulsen van LCLS op het precieze moment dat de schokgolf de gewenste druk en temperatuur bereikte. Een deel van de röntgenstralen werd vervolgens verstrooid in een detector en vormde een diffractiepatroon. Net zoals iedereen zijn eigen set vingerafdrukken heeft, de atomaire structuur van materialen is vaak uniek. Diffractiepatronen onthullen dat materiële vingerafdrukken, waardoor de onderzoekers konden volgen hoe de atomen van het monster zich herschikten als reactie op de toename van druk en temperatuur tijdens de schokgolf. Ze vergeleken hun resultaten met die van eerdere experimenten en moleculaire simulaties om een ​​gemeenschappelijke evolutionaire tijdlijn van glazen en vloeibare silicaten onder hoge druk te onthullen.

"Het is opwindend om al deze verschillende technieken te kunnen verzamelen en vergelijkbare resultaten te krijgen, ", zegt SLAC-wetenschapper en co-auteur Hae Ja Lee. "Dit stelt ons in staat een gecombineerd kader te vinden dat logisch is en een stap vooruit te zetten. Het is zeer uitgebreid in vergelijking met andere onderzoeken."

Het atomistische verbinden met het planetaire

In de toekomst, de LCLS-II-upgrade, evenals upgrades van het Matter in Extreme Conditions (MEC)-instrument waar dit onderzoek werd uitgevoerd, zal wetenschappers in staat stellen de extreme omstandigheden in de binnen- en buitenkern na te bootsen om te leren hoe ijzer zich gedraagt ​​en de rol die het speelt bij het genereren en vormgeven van het magnetisch veld van de aarde.

Om dit onderzoek op te volgen, de onderzoekers zijn van plan experimenten uit te voeren met hogere röntgenstralingsenergieën om nauwkeurigere metingen te doen van de atomaire rangschikking van vloeibare silicaten. Ze hopen ook hogere temperaturen en drukken te bereiken om inzicht te krijgen in hoe deze processen zich ontvouwen op planeten die groter zijn dan de aarde, zogenaamde superaardes of exoplaneten, en hoe de grootte en locatie van een planeet de samenstelling ervan beïnvloedt.

"Dit onderzoek stelt ons in staat om het atomistische te verbinden met het planetaire, " zegt Gleason. "Vanaf deze maand, meer dan 4, 000 exoplaneten ontdekt, ongeveer 55 daarvan bevinden zich in de bewoonbare zone van hun sterren waar vloeibaar water kan bestaan. Sommige daarvan zijn zo geëvolueerd dat we geloven dat er een metalen kern is die magnetische velden kan genereren. die planeten beschermen tegen stellaire winden en kosmische straling. Er zijn zoveel stukjes die op hun plaats moeten vallen voordat het leven zich kan vormen en onderhouden. Het doen van de belangrijke metingen om de constructie van deze planeten beter te begrijpen, is cruciaal in dit tijdperk van ontdekking."