Modelowanie struktury i dynamiki żelazowych wnętrz egzoplanet
Odkrycie ponad 4500 egzoplanet stworzyło potrzebę modelowania struktury i dynamiki ich wnętrza. Jak się okazało, kluczową rolę odgrywa w tym żelazo.
Wizualizacja przekroju poprzecznego superziemi z komorą National Ignition Facility nałożoną na płaszcz, patrząc w głąb jądra. Źródło: Johna Jetta/LLNL.
Zespół naukowców wykorzystał lasery w National Ignition Facility do eksperymentalnego określenia krzywej topnienia pod wysokim ciśnieniem i właściwości strukturalnych czystego żelaza do 1000 GPa (prawie 10 000 000 atmosfer), czyli trzy raz większego ciśnienia niż panuje w wewnętrznym jądrze Ziemi i prawie cztery razy większego, niż jakiekolwiek wcześniejsze eksperymenty.
Naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów, które naśladują warunki obserwowane przez działkę żelaza opadającą w kierunku centrum jądra superziemi.
Samo bogactwo żelaza we wnętrzach planet skalistych sprawia, że konieczne jest zrozumienie właściwości i reakcji żelaza w ekstremalnych warunkach panujących głęboko w jądrach masywnych planet podobnych do Ziemi – powiedział Rick Kraus, fizyk Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i główny autor pracy. Krzywa topnienia żelaza jest krytyczna dla zrozumienia wewnętrznej struktury, ewolucji termicznej, jak również potencjału dynamicznie generowanych magnetosfer.
Uważa się, że magnetosfera jest ważnym składnikiem zdatnych do zamieszkania planet skalistych, tak jak to jest na Ziemi. Ziemskie dynamo magnetyczne jest generowane w zewnętrznym jądrze konwekcyjnym ciekłym żelaznym otaczającym wewnętrzne jądro z litego żelaza i jest zasilane przez ciepło utajone uwalniane podczas krzepnięcia żelaza.
Ze względu na duże znaczenie żelaza w planetach typu ziemskiego, dokładne i precyzyjne właściwości fizyczne w ekstremalnych ciśnieniach i temperaturach są niezbędne do przewidywania tego, co dzieje się w ich wnętrzach. Pierwszorzędną właściwością żelaza jest temperatura topnienia, która wciąż podlega dyskusji w odniesieniu do warunków panujących we wnętrzu Ziemi. Krzywa topnienia jest największym przejściem reologicznym, jakiemu może ulec materiał, od materiału o dużej wytrzymałości do takiego, który jej nie posiada. W tym miejscu ciało stałe zamienia się w ciecz, a temperatura jest zależna od ciśnienia żelaza.
Dzięki eksperymentom, zespół określił długość działania dynamo podczas krzepnięcia jądra do sześciokątnej, ciasno upakowanej struktury w egzoplanetach typu superziemia.
Stwierdziliśmy, że ziemskie egzoplanety o masie 4-6 razy większej od ziemskiej, będą miały najdłuższe dynama, które zapewniają ważną osłonę przed promieniowaniem kosmicznym – powiedział Kraus.
I dodaje: Poza naszym zainteresowaniem w zrozumieniu możliwości zdatności do zamieszkania egzoplanet, technika, którą opracowaliśmy dla żelaza będzie w przyszłości stosowana do materiałów o większym znaczeniu programowym, w tym do programu Stockpile Stewardship Program.
Krzywa topnienia jest niezwykle czułym ograniczeniem dla modelu równania stanu.
Zespół uzyskał również dowody na to, że kinetyka krzepnięcia w tak ekstremalnych warunkach jest szybka – przejście z cieczy w ciało stałe zajmuje zaledwie nanosekundy, co pozwoliło zespołowi obserwować równowagową granicę faz. Ten eksperymentalny wgląd poprawia nasze modelowanie zależnej od czasu reakcji materiału dla wszystkich materiałów – powiedział Kraus.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
