В глубине мантии Земли, прямо над ядром, значительная часть материала состоит из кристаллов оксида магния. В более крупных каменистых экзопланетах, называемых суперземлями, более высокое давление в нижней мантии может превращать оксид магния в новую кристаллическую структуру или в металлическую, электропроводящую жидкость, генерирующую магнитное поле. А в газовых гигантах оксид магния может существовать в самих ядрах. Эту информацию сообщает сайт Phys.org.
Чтобы понять недра разных типов планет, исследователям нужно точно знать, как оксид магния реагирует на экстремальные давления и температуры. Но в течение многих лет эксперименты с оксидом магния давали результаты, которые теории не могли объяснить.
Теперь, после почти 12 лет исследований, исследование из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) и Университета Джонса Хопкинса решило эту проблему. Работа, третья в серии, опубликована в Physical Review X.
"Мы начали с загадки. Почему наши измерения не совпадали с ожидаемым поведением оксида магния?" — сказал Рэймонд Смит, физик LLNL и ведущий автор. "Прорыв произошел, когда мы поставили под сомнение предположение, которое принимали как должное: что при давлениях, приближающихся к удвоенному давлению в центре Земли, и температурах выше 10 000 кельвинов, направление сжатия кристалла больше не должно иметь значения".
Атомы оксида магния образуют кубическую кристаллическую структуру. Чтобы получить материал в экстремальных условиях, исследователи ударяли по нему мощным лазерным импульсом, который запускает ударную волну через кристалл. До этого исследования научное сообщество обычно предполагало, что направление сжатия куба неважно для общего отклика материала при экстремальных давлениях и температурах.
Чтобы проверить это ожидание, потребовалась экспериментальная кампания в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета с использованием лазерной установки Omega EP. Команда запускала ударные волны в трех направлениях: перпендикулярно грани куба, вдоль диагонали грани и вдоль диагонали через куб.
"То, что мы наблюдали, озадачило нас", — сказал Смит. "Никто из нас не ожидал такой сложной реакции от изменения направления сжатия. Потребовалось несколько лет и достижения во всех частях нашего анализа, чтобы понять, что говорили нам измерения".
Исследователи объединили одновременные оптические измерения скорости ударной волны и температуры с рентгеновской дифракцией, которая показывает расположение атомов. Вместе измерения показали, что превращение оксида магния в более плотную кристаллическую структуру сильно зависит от направления сжатия.
"Ориентация кристалла определяет, как приложенное сжатие может привести атомы в новое расположение", — сказал ученый LLNL и автор Саранш Содерлинд. "Картины дифракции помогли нам идентифицировать эти различные пути. Когда мы объединили их с измерениями температуры, кусочки наконец начали складываться".
Вдоль диагонали через куб оксид магния превращался, как ожидалось, переходя между упорядоченными структурами и плавясь с увеличением приложенного давления. Вдоль других направлений данные указывали на более сложный процесс. Тонкая, короткоживущая неупорядоченная или жидкая область на фронте ударной волны предшествовала следу нерегулярного роста кристаллов позади нее.
Эти различия могут объяснить более ранние эксперименты, которые озадачивали исследователей.
"Связывая оптические измерения очень тонкой области на фронте ударной волны с рентгеновскими лучами, которые зондируют гораздо большую область позади нее, мы смогли понять, как направление сжатия имеет значение", — сказал ученый LLNL и автор Мариус Милло. "Эти идеи позволили нам объяснить предыдущие расхождения между теорией и экспериментальными наблюдениями".
Несмотря на различные пути превращения, оксид магния последовательно плавился при приблизительно 572 гигапаскалях и 13 200 кельвинов. Это самая высокая экспериментально зарегистрированная температура плавления среди известных материалов.
Полученные данные служат ориентиром для моделей планетарных недр.
"Такие высокие условия плавления могут изменить наше понимание физических процессов, которые сформировали формирование Земли", — сказал Смит. "Оксид магния мог кристаллизоваться первым из магматических океанов ранней Земли и также влиять на количество испаренного материала от гигантского удара".
Экстраполяция на более высокие давления предполагает, что кристаллический оксид магния может сохраняться в частях ядер Юпитера и Сатурна, в то время как более горячие планеты-гиганты могут содержать его в виде жидкости.
"Оксид магния — важный ингредиент в нашем понимании планетарных недр", — сказала Джун Уикс, профессор кафедры наук о Земле и планетах Университета Джонса Хопкинса. "Эти эксперименты помогают нам определить, где он может оставаться твердым, а где становится жидким, что важно для того, как планеты переносят тепло и эволюционируют".
Это исследование проливает свет на поведение оксида магния в экстремальных условиях, и результаты могут быть распространены на лучшее понимание других материалов, в том числе имеющих отношение к модернизации запасов и миссии национальной безопасности LLNL.
В состав команды также входили ученые LLNL Джон Эггерт и Федерика Коппари и Цзысюань Е из Университета Джонса Хопкинса, участвовавшая в рамках своей докторской диссертации.