Исследование показывает, что оксид магния претерпевает динамический переход, когда дело касается экзопланет суперземли

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) и Университета Джонса Хопкинса раскрыли новые секреты внутренней структуры сверхземных экзопланет, что может произвести революцию в нашем понимании этих далеких миров.

В центре внимания этой работы — оксид магния (MgO), важнейший компонент нижней мантии Земли, который, как предполагается, играет аналогичную роль в мантии массивных каменистых экзопланет. Поведение MgO, известного своей простой кристаллической структурой каменной соли (B1) и геофизическим значением, в экстремальных условиях давно интригует ученых.

Предполагается, что суперземли — планеты с массой и радиусом больше Земли, но меньше ледяных гигантов, таких как Нептун, — имеют состав, сходный с составом планет земной группы в нашей Солнечной системе. Учитывая экстремальное давление и температуру в их мантии, ожидается, что MgO превратится из структуры B1 в структуру хлорида цезия (B2). Это превращение существенно меняет свойства MgO, включая резкое снижение вязкости, что может кардинально повлиять на внутреннюю динамику планеты.

Для точного определения давления, при котором происходит этот переход, команда LLNL и ее коллеги разработали новую экспериментальную платформу. Эта платформа сочетает лазерное ударное сжатие с одновременными измерениями давления, кристаллической структуры, температуры, микроструктурной текстуры и плотности — беспрецедентный подход.

Проведя 12 экспериментов на лазерной установке Omega-EP в Лаборатории лазерной энергии Рочестерского университета, ученые сжимали MgO до сверхвысоких давлений до 634 ГПа (6,34 миллиона атмосфер) в течение нескольких наносекунд. Используя наносекундный источник рентгеновского излучения, они изучили атомную структуру MgO в этих условиях.

Результаты оказались поразительными: фазовый переход B1 в B2 в MgO происходил в диапазоне давлений 400-430 ГПа при температуре обжига около 9700 К. За пределами 470 ГПа наблюдалось сосуществование B2-жидкости с полным плавлением при 634 ГПа.

«Это исследование дает первые прямые атомные и термодинамические ограничения на начало фазового превращения B1 в B2 в зависимости от давления и температуры и представляет собой самые высокотемпературные данные рентгеновской дифракции, когда-либо зарегистрированные», — сказал ученый LLNL Рэй Смит, автор исследования опубликованного в Access to Science. «Эти данные необходимы для разработки точных моделей внутренних процессов суперземли».

Переход B1-B2 является моделью для других структурных фазовых превращений, что привлекло десятилетия теоретических исследований, направленных на изучение атомных путей, способствующих этому изменению. Используя усовершенствованную модель для моделирования условий рентгеновской дифракции, исследовательская группа смогла выяснить механизм перехода B1-B2 в MgO.

«Наши данные рентгеновской дифракции позволяют напрямую измерить изменения на атомном уровне в MgO во время ударного сжатия и впервые определить механизм фазового перехода при глубоком мантийном давлении на экзопланетах типа супер-Земли», — говорит ученый LLNL Саранш Содерлинд.

В исследовании также участвовали ученые LLNL Мариус Миллот, Дэйн Фратандуоно, Федерика Коппари, Мартин Горман и Джон Эггерт, а также сотрудники Университета Джонса Хопкинса, Университета Рочестера, Принстонского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC.