Das Abflachen des Inneren von Exoplaneten der Supererde

Künstlerische Darstellung des Querschnitts einer Supererde mit der NIF-Targetkammer über dem Mantel, Blick in den Kern. Kredit: Bild von John Jett/LLNL

Die Entdeckung von über 4.500 extrasolaren Planeten hat die Notwendigkeit geschaffen, ihre innere Struktur und Dynamik zu modellieren. Es stellt sich heraus, dass Eisen eine Schlüsselrolle spielt.
Wissenschaftler und Mitarbeiter des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) verwendeten Laser an der National Ignition Facility, um die Hochdruck-Schmelzkurve und die strukturellen Eigenschaften von reinem Eisen bis zu 1.000 GPa (fast 10.000.000 d Atmosphären), dem Dreifachen des Drucks, experimentell zu bestimmen Das Innere der Erde. Kern und fast viermal mehr Druck als alle bisherigen Erfahrungen. Die Suche erscheint in Wissenschaft.

Das Team führte eine Reihe von Experimenten durch, die die Bedingungen nachahmen, die von einem Eisenflecken gesehen werden, der zum Zentrum eines Supererdkerns hinabsteigt. Die Experimente wurden im Rahmen des NIF Discovery Science-Programms vergeben, das frei zugänglich ist und allen Forschern zur Verfügung steht.

„Der Reichtum an Eisen in Gesteinsplaneten macht es notwendig, die Eigenschaften und die Reaktion von Eisen auf die extremen Bedingungen tief in den Kernen von massereicheren erdähnlichen Planeten zu verstehen“, sagte Rick Kraus, LLNL-Physiker und Hauptautor des Artikels. . „Die Eisenschmelzkurve ist wesentlich für das Verständnis der inneren Struktur, der thermischen Entwicklung sowie des Potenzials von dynamogenerierten Magnetosphären.“

Es wird angenommen, dass eine Magnetosphäre ein wichtiger Bestandteil bewohnbarer terrestrischer Planeten ist, wie es auf der Erde der Fall ist. Der Magnetodynamo der Erde wird im äußeren Kern aus konvektivem flüssigem Eisen erzeugt, der den inneren Kern aus festem Eisen umgibt, und wird durch die latente Wärme angetrieben, die während der Erstarrung von Eisen freigesetzt wird.

Angesichts der Vorrangstellung von Eisen auf terrestrischen Planeten sind genaue und präzise physikalische Eigenschaften bei extremen Drücken und Temperaturen erforderlich, um vorherzusagen, was im Inneren passiert. Eine Eigenschaft erster Ordnung von Eisen ist der Schmelzpunkt, der für die Bedingungen im Erdinneren noch umstritten ist. Die Schmelzkurve ist der größte rheologische Übergang, den ein Material durchlaufen kann, von einem widerstandsfähigen Material zu einem anderen ohne. Hier wird aus einem Feststoff eine Flüssigkeit und die Temperatur hängt vom Druck des Bügeleisens ab.

Durch die Experimente bestimmte das Team die Einwirkungsdauer des Dynamos während der Verfestigung des Kerns zu der kompakten hexagonalen Struktur in Exoplaneten der Supererde.

„Wir stellen fest, dass terrestrische Exoplaneten mit der vier- bis sechsfachen Masse der Erde die längsten Dynamos haben werden, die eine signifikante Abschirmung vor kosmischer Strahlung bieten“, sagte Kraus.

Kraus sagte: „Über unser Interesse am Verständnis der Bewohnbarkeit von Exoplaneten hinaus wird die Technik, die wir für Eisen entwickelt haben, in Zukunft auf programmatisch relevantere Materialien angewendet werden“, einschließlich der Verwaltung des d-Inventars.

Die Schmelzkurve ist eine unglaublich empfindliche Einschränkung für ein Zustandsgleichungsmodell.

Das Team erhielt auch Beweise dafür, dass die Erstarrungskinetik unter diesen extremen Bedingungen schnell ist und nur Nanosekunden benötigt, um von einer Flüssigkeit zu einem Feststoff zu gelangen, was es dem Team ermöglicht, die Gleichgewichtsphasengrenze zu beobachten. „Diese experimentelle Idee verbessert unsere Modellierung der Materialreaktion als Funktion der Zeit für alle Materialien“, sagte Kraus.

Referenz: „Measuring the Iron Melting Curve Under Super-Earth Core Conditions“ von Richard G. Kraus, Russell J. Hemley, Suzanne J. Ali, Jonathan L. Belof, Lorin X. Benedict, Joel Bernier, Dave Braun, RE Cohen, Gilbert W. Collins, Federica Coppari, Michael P. Desjarlais, Dayne Fratanduono, Sébastien Hamel, Andy Krygier, Amy Lazicki, James Mcnaney, Marius Millot, Philip C. Myint, Matthew G. Newman, James R. Rygg, Dane M. Sterbentz , Sarah T. Stewart, Lars Stixrude, Damian C. Swift, Chris Wehrenberg und Jon H. Eggert, 13. Januar 2022, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abm1472

Weitere Livermore-Teammitglieder sind Suzanne Ali, Jon Belof, Lorin Benedict, Joel Bernier, Dave Braun, Federica Coppari, Dayne Fratanduono, Sébastien Hamel, Andy Krygier, Amy Lazicki, James McNaney, Marius Millot, Philip Myint, Dane M. Sterbentz, Damian Swift, Chris Wehrenberg und Jon Eggert. Forscher der University of Illinois at Chicago, der Carnegie Institution for Science, der University of Rochester, des Sandia National Laboratory, des California Institute of Technology, der University of California at Davis und der University of California at Los Angeles trugen ebenfalls zu der Studie bei .

Die Arbeit wird durch das Waffenphysik- und Designprogramm des LLNL und das Discovery Science Program des NIF finanziert.