Besiedlung der inneren Teile der äußeren Planeten der Supererde

Künstlerische Darstellung eines Querschnitts der Supererde mit der NIF-Zielkammer über dem Mantel, Blick auf den Kern. Kredit: John Jett/LLNL Foto

Die Entdeckung von mehr als 4.500 Exoplaneten hat die Notwendigkeit geschaffen, ihre interne Struktur und Dynamik zu modellieren. Wie sich herausstellte, spielt Eisen eine große Rolle.

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 Gigapascal (fast 10.000.000 Atmosphären), dem Dreifachen des Erdinnendrucks, zu bestimmen. Kern und etwa viermal höheren Druck als alle früheren Experimente. Die Suche erscheint in Wissenschaft.

Das Team führte eine Reihe von Experimenten durch, die die beobachteten Bedingungen simulieren, wenn man ein Stück Eisen in Richtung des Zentrums eines Supererdkerns fallen lässt. Die Experimente werden im Rahmen des NIF Discovery Science-Programms angepasst, das allen Forschern offen steht und zur Verfügung steht.

„Der enorme Reichtum an Eisen in felsigen inneren Planeten macht es unerlässlich, die Eigenschaften von Eisen und seine Reaktion unter extremen Bedingungen tief in den Kernen von massereicheren erdähnlichen Planeten zu verstehen“, sagte Rick Krause, LLNL-Physiker und Hauptautor des Papiers . . „Die Schmelzkurve von Eisen ist entscheidend für das Verständnis seiner inneren Struktur, der thermischen Entwicklung sowie des Potenzials für dynamogenerierte Magnetosphären.“

Es wird angenommen, dass die Magnetosphäre ein wichtiger Bestandteil bewohnbarer terrestrischer Planeten ist, wie es auf der Erde der Fall ist. Die Magnetodynamik der Erde im äußeren Kern aus flüssigem Eisen wird durch Konvektion erzeugt, die den inneren Kern aus festem Eisen umgibt, und wird durch die latente Wärme ausgelöst, die während der Eisenverfestigung freigesetzt wird.

Angesichts der Bedeutung von Eisen auf terrestrischen Planeten sind genaue und präzise physikalische Eigenschaften bei extremen Drücken und Temperaturen erforderlich, um vorherzusagen, was innerhalb der inneren Planeten passiert. Der Schmelzpunkt ist eine Eigenschaft erster Ordnung des Eisens, die immer noch um die Bedingungen im Erdinneren diskutiert wird. Die Schmelzkurve ist der größte rheologische Übergang, den eine Substanz durchlaufen kann, von einem mit Festigkeit zu einem ohne. Wo ein Feststoff zu einer Flüssigkeit wird und die Temperatur vom Druck des Bügeleisens abhängt.

Durch Experimente bestimmte das Team die Arbeitslänge des Dynamos, als sich der Kern zu der sechseckigen Struktur verfestigte, die in die Exoplaneten der Supererden gestopft wurde.

„Wir fanden heraus, dass terrestrische Exoplaneten mit mehr als der vier- bis sechsfachen Masse der Erde den längsten Dynamo haben und einen wichtigen Schutzschild gegen kosmische Strahlung bieten“, sagte Krause.

„Über unser Interesse hinaus, die Bewohnbarkeit von Exoplaneten zu verstehen, wird die Technologie, die wir für Eisen entwickelt haben, in Zukunft auf mehr programmatisch verwandte Materialien angewendet werden“, sagte Krause, einschließlich des Inventory-Stewardship-Programms.

Die Schmelzkurve ist eine unglaublich empfindliche Beschränkung der Zustandsmodellgleichung.

Das Team erhielt auch Beweise dafür, dass die Erstarrungskinetik unter solch extremen Bedingungen schnell ist und nur Nanosekunden benötigt, um von flüssig zu fest zu werden, was es dem Team ermöglicht, die Grenzen der Gleichgewichtsphase zu beobachten. „Diese experimentelle Erkenntnis verbessert unsere Modellierung der zeitabhängigen Reaktion aller Materialien für alle Materialien“, sagte Krause.

Referenz: „Measurement of the Iron Melting Curve at Super-Earth Core Conditions“ von Richard J. Krause, Russell J. Hemley, Susan J. Ali, Jonathan L. Belov, Lauren X Benedict, Joel Bernier, Dave Brown, Ray Cohen, Gilbert W. Collins, Federica Kopari, Michael P. Degarlais, Dane Fratandono, Sebastian Hamill, Andy Krieger, Amy Lazicki, James McEnany, Marius Melott, Philip C. Mint, Matthew G. Newman, James R. Rigg, Dean M. Sternitz, Sarah T. Stewart, Lars Sticksrud, Damien C. Swift, Chris Wehrenberg und John H. Eggert, 13. Januar 2022, hier verfügbar. Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / science.abm1472

Weitere Livermore-Teammitglieder sind Suzanne Ali, John Beloff, Lauren Benedict, Joel Bernier, Dave Brown, Federica Coppari, Dane Fratandono, Sebastian Hummel, Andy Krieger, Amy Lazicki, James McEnany, Marius Melott, Philip Mint, Dean M. Sternpentz, Damien Swift, Chris Wehrenberg und John Eggert. An der Studie beteiligten sich auch 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 Davis und der UCLA.

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