Ученые исследуют внутреннее строение скалистых экзопланет

Прогресс в астрономических наблюдениях привел к открытию большого числа экзопланет, некоторые из которых, как полагают, имеют скалистый состав, сходный с земным. Изучение их внутренней структуры может дать важные подсказки об их потенциальной обитаемости.

Возглавляемая Ливерморской национальной лабораторией имени Лоуренса (LLNL) группа исследователей стремится раскрыть некоторые из этих секретов, изучая свойства оксида железа — одного из компонентов мантии Земли, при экстремальных давлениях и температурах, которые, вероятно, будут в недрах этих больших скалистых экзопланет. Результаты их экспериментов были опубликованы в журнале Nature Geoscience.

«Из-за ограниченного объема доступных данных большинство моделей внутренней структуры скалистых экзопланет предполагают масштабную версию Земли, состоящую из железного ядра, окруженного мантией, в которой преобладают силикаты и оксиды. Однако этот подход в значительной степени игнорирует различные свойства составляющих материалов, которые могут иметь при давлениях, превышающих те, которые существуют внутри Земли», — сказала Федерика Коппари, физик LLNL и ведущий автор исследования.

«С постоянно растущим числом подтвержденных экзопланет, в том числе тех, которые считаются скалистыми по своей природе, крайне важно получить лучшее понимание того, как их планетные строительные блоки ведут себя глубоко внутри таких тел.»

Используя гигантские лазеры на установке Omega Laser в Университете Рочестера, исследователи сжали образец оксида железа почти до 7 мегабар (или Мбар — 7 миллионов атмосферного давления Земли), условия, ожидаемые в недрах скалистых экзопланет, примерно в пять раз более массивных, чем Земля.

Они направили дополнительные лазеры на небольшую металлическую фольгу, чтобы создать короткий импульс рентгеновского излучения, достаточно яркий, чтобы позволить им захватить рентгеновский дифракционный снимок сжатого образца.

«Точное время имеет решающее значение, поскольку состояние пикового давления поддерживается не более 1 миллиардной доли секунды», — говорят ученые. Поскольку рентгеновская дифракция уникально подходит для измерения расстояния между атомами и того, как они расположены в кристаллической решетке, исследователи обнаружили, что когда оксид железа сжимается до давления, превышающего 3 Мбар — давление внутреннего ядра Земли, он переходит в другую фазу, где атомы более плотно упакованы.

«Обнаружение структуры оксида железа высокого давления в условиях, превышающих существующие внутри Земли, очень интересно, потому что эта форма, как ожидается, будет иметь гораздо более низкую вязкость, чем кристаллическая структура, обнаруженная в условиях окружающей среды и в мантии Земли», — говорит Федерика Коппари.

Объединив новые данные с предыдущими измерениями оксида магния, еще одного ключевого компонента скалистых планет, команда построила модель, чтобы понять, как фазовый переход в оксиде железа может повлиять на их способность смешиваться.

Они обнаружили, что мантия больших земных экзопланет может сильно отличаться от того, что обычно предполагается, вероятно, обладая очень разной вязкостью, электропроводностью и реологическими свойствами.

«Более экстремальные условия, ожидаемые внутри больших скалистых суперземель, способствуют появлению новой и сложной минералогии, где составляющие материалы смешиваются (или не смешиваются), текут и деформируются совершенно иначе, чем в мантии Земли», — говорят исследователи. «Смешение не только играет роль в формировании и эволюции планеты, но и резко влияет на реологию и проводимость, которые в конечном счете связаны с ее обитаемостью.»

Забегая вперед, можно ожидать, что эта работа будет стимулировать дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования, направленные на понимание свойств смешивания составляющих материалов при беспрецедентных давлениях и температурных условиях.

«Еще так много предстоит узнать о материалах в экстремальных условиях и еще больше о формировании и эволюции планет», — говорит Федерика Коппари. «Удивительно, что наши лабораторные эксперименты могут заглянуть во внутреннюю структуру планет так далеко с беспрецедентным разрешением и способствовать более глубокому пониманию Вселенной.»