Изучение недр планет имеет важное значение для понимания формирования планет, их эволюции и их способности потенциально содержать жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Для этого исследователи используют комбинацию Земли в качестве аналога, компьютерных моделей, метеоритов и данных, собранных с других планетных тел для изучения их внутреннего состава. В результате ученые определили, что элементы магния и кремния являются наиболее распространенными строительными блоками планет. И под экстремальным давлением, например, во внутренней мантии нашей планеты, он образует кристаллы оксида магния (MgO). Но как тот же процесс происходит при разных давлениях и температурах на других планетах, таких как газовые гиганты и более крупные скалистые экзопланеты, называемые суперземлями?
Теперь совместная группа исследователей из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) и Университета Джонса Хопкинса может стать на шаг ближе к решению этой загадки. Как обсуждалось в недавнем исследовании, опубликованном в Physical Review X, исследователи представили интригующие результаты, которые могут решить 12-летнее исследование геохимических процессов, происходящих глубоко внутри планет, в частности связанных с образованием оксида магния. Это исследование является третьим исследованием в серии, основанной на двух предыдущих исследованиях: исследовании 2015 года, опубликованном в Physical Review Letters, и исследовании 2024 года, опубликованном в Science Advances.
Впечатление художника от внутренних слоев Земли, Марса и Луны. (Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калтех)
Для исследования исследователи провели серию лабораторных экспериментов, используя лазеры на кубической кристаллической структуре оксида магния для сжатия и моделирования экстремальных температур и давлений, которые он испытывает в недрах планет. Например, исследователи протестировали температуры до 572 гигапаскалей (ГПа) и 13 000 Кельвинов (К) (12 927 градусов Цельсия/23 300 градусов по Фаренгейту), что намного выше, чем давление и температура вблизи центра Земли, составляющая около 360 ГПа и 6 000 К (5727 градусов Цельсия/10 340 градусов). Фаренгейта) соответственно.
Лазер сжал куб MgO с разных направлений, что бросило вызов давним научным теориям о том, что из-за экстремальных температур и давлений направление сжатия не имеет значения. Три направления включали диагональ вдоль грани, перпендикуляр к грани куба и диагональ через грань.
Фото: НАСА/Институт Луны и Планет.
В конце концов, исследователи обнаружили, что направление падающего лазера на куб MgO приводит к разным реакциям на его сжатие. Например, при трансформации куба по диагонали через куб, тогда как в двух других направлениях реакция была разной, а именно, неупорядоченным и неравномерным ростом кристалла за ударной волной от сжатия. Хотя это открытие опровергло давние теории относительно поведения кристаллов, основанные на направлении, исследователи также обнаружили, что куб MgO плавился при 572 ГПа и 13 000 К, что установило новый известный экспериментальный рекорд материала по давлению и температуре.
«Оксид магния является важным компонентом в нашем понимании внутреннего строения планет», — сказала доктор Джун Уикс, профессор кафедры наук о Земле и планетах Университета Джонса Хопкинса и соавтор исследования. «Эти эксперименты помогают нам определить, где он может оставаться твердым, а где становится жидким, что имеет значение для того, как планеты переносят тепло и развиваются».
Как уже отмечалось, магний и кремний составляют наиболее распространенные элементы в недрах планет, а их комбинированная форма MgO показывает температуру и давление тех же самых планетных недр. Тремя основными геологическими слоями каменного планетарного объекта являются кора, мантия и ядро, при этом Земля имеет жидкое внешнее ядро и каменное внутреннее ядро, а MgO образуется у нижней части мантии, недалеко от границы ядро-мантия. Однако этот процесс различен в зависимости от типа планеты.
Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Например, на экзопланетах-суперземлях MgO может превращаться в проводящую жидкость внутри мантии (тогда как эта проводимость существует внутри внешнего ядра Земли), в результате чего магнитные поля намного сильнее, чем у Земли. Кроме того, MgO на газовых гигантах, таких как Юпитер и Сатурн, может существовать как в твердом, так и в жидком виде глубоко внутри их ядер и в зависимости от температуры.
Какой новый взгляд на внутренние процессы планет сделают исследователи в ближайшие годы и десятилетия? Только время покажет, и именно поэтому мы занимаемся наукой!
Как всегда, продолжайте заниматься наукой и продолжайте искать!
