Ученые создали модель ядра «суперземли» в лабораторных условиях

Исследование описывает новое поколение мощных лазерных экспериментов, которые обеспечивают первое абсолютное уравнение состояния железа в условиях экстремального давления и плотности.

Группа исследователей из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), Принстонского университета, Университета Джона Хопкинса и Университета Рочестера (США) впервые экспериментально определила зависимость массы-радиуса гипотетической металлической планеты, обладающей свойствами ядра суперземли. Работа ученых представлена в журнале Nature Astronomy.

«Обнаружение большого количества планет вне Солнечной системы было одним из самых захватывающих научных открытий этого поколения. Эти исследования поднимают фундаментальные вопросы. Каковы различные типы внесолнечных планет, и как они формируются и развиваются? Какие из этих объектов могут поддерживать на поверхности приемлемые для жизни условия? Для решения таких вопросов необходимо понимать состав и внутреннюю структуру этих объектов», – рассказывает Рэй Смит, физик из LLNL и ведущий автор исследования.

Результаты могут быть использованы для оценки состава больших скалистых экзопланет, войдя в основу будущих моделей планетарных недр, которые, в свою очередь, смогут применяться для более точной интерпретации данных наблюдений космической миссии «Kepler» и помощи в определении планет, пригодных для обитания.

Известно, что из более чем 4000 экзопланет и кандидатов на эту роль, наиболее распространены те, что превышают радиус Земли в 1-4 раза. Подобные внесолнечные миры не представлены в нашей системе. Это указывает на то, что планеты формируются в более широком диапазоне физических условий, чем считалось ранее. Определение внутренней структуры и состава суперземель – сложная задача, но она имеет решающее значение для понимания разнообразия и эволюции планетных систем в нашей Галактике.

Поскольку давление в ядре экзопланеты, превышающей по массе Землю в 5 раз, может достигать двух миллионов атмосфер, фундаментальным требованием для ограничения состава экзопланеты и ее внутренней структуры является точное определение свойств материала при экстремальном давлении. Железо – доминирующая составляющая планетарных ядер землеподобных планет. Подробное понимание свойств железа в условиях суперземли стало основной задачей в исследовании команды Рэя Смита.

Ученые описали новое поколение мощных лазерных экспериментов, которые обеспечивают первое абсолютное уравнение состояния железа в условиях экстремального давления и плотности в ядре суперземли. Метод подходит для сжатия материи с минимальным нагревом до давления в 1 терапаскаль (1 ТПа = 10 миллионов атмосфер).

Эксперименты проводились в Национальном комплексе зажигания LLNL (NIF). NIF, крупнейший в мире и самый мощный лазер, может доставлять до 2 мегаджоулей лазерной энергии в течение 30 наносекунд и обеспечивать необходимую мощность лазера и контроль сжатия материалов до давлений ТПa. Эксперименты команды достигли пикового давления в 1,4 ТПа, что в четыре раза больше давления предыдущих статических результатов, которые описывали основные условия суперземли, в 3-4 раза превышающей по массе Землю.

«Модели внутреннего планетарного устройства, основанные на описании составных материалов при экстремальных давлениях, обычно прибегают к экстраполяции данных низкого давления и создают широкий диапазон возможных состояний материала. Наши экспериментальные данные обеспечивают прочную основу для определения свойств суперземли и гипотетической металлической планеты. Кроме того, исследование демонстрирует способность определять уравнения состояния и другие ключевые термодинамические свойства материалов планетарного ядра при давлениях, значительно превышающих значения обычных статических методов. Такая информация имеет решающее значение для укрепления понимания структуры крупных каменистых экзопланет и их эволюции», – сообщает Рэй Смит.

Будущие эксперименты NIF расширят изучение материалов под давление в несколько ТПа, объединив наносекундные методы дифракции рентгеновских лучей для определения эволюции кристаллической структуры в зависимости от давления.

Арина Васильева
редактор-переводчик
Читайте и распечатывайте последние новости астрономии, космоса и космонавтики на сайте https://in-space.ru
Наверх