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.
«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.
