Ученые заглянули вглубь суперземель: что можно узнать об их недрах с помощью рентгена?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Наука и космос

Заглянуть в сердце планеты — задача не из простых. Особенно, если эта планета — не наша родная Земля, а далекая суперземля, масса которой в несколько раз превышает земную. Что происходит в недрах таких гигантов? Какие процессы формируют их внутреннюю структуру? Ответы на эти вопросы могут скрываться в изучении поведения расплавленных силикатов под воздействием колоссальных давлений и температур.

Ключевую роль в формировании планет, подобных нашей, играет ранняя стадия их развития, известная как «океан магмы». В этот период внутреннее пространство планеты представляет собой бурлящий расплавленный силикатный материал. Изучение свойств и поведения жидких силикатов при экстремальных давлениях и температурах — важнейшая задача геофизики и планетологии.

Внутреннее строение суперземли, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Однако до недавнего времени подобные исследования сталкивались с серьезными технологическими ограничениями. Традиционные методы, основанные на статическом сжатии вещества в лабораторных условиях, например, с помощью многопуансонных прессов, имеют ограниченный диапазон давлений и температур.

Настоящим прорывом в этой области стало применение лазеров на свободных электронах (XFEL), которые генерируют ультракороткие и сверхяркие рентгеновские импульсы. В сочетании с мощными оптическими лазерами, способными создавать ударные волны колоссальной силы, XFEL позволяет проводить in-situ исследования материалов при давлениях и температурах, недостижимых ранее.

Четыре детектора epiX 10k покрывают диапазон добротности от 15 до 106 нм-1 при энергии рентгеновского пучка 17 кэВ. Диффузное рассеяние, зарегистрированное на каждом детекторе, может быть затем сшито для восстановления полного сигнала
Автор: Morard, G., Hernandez, JA., Pege, C. et al. Structural evolution of liquid silicates under conditions in Super-Earth interiors. Nat Commun 15, 8483 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51796-7 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, международная группа ученых использовала возможности установки Matter in Extreme Conditions (MEC) на базе XFEL-лазера Linac Coherent Light Source (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США), чтобы заглянуть в самое сердце модели суперземли.

В качестве объекта исследования был выбран жидкий силикат (Mg, Fe) SiO3 — основной компонент мантии каменистых планет. С помощью высокоинтенсивных рентгеновских импульсов ученые проанализировали структуру материала, подвергнутого ударному сжатию до давлений, достигающих 385 гигапаскалей — это соответствует условиям на границе ядра и мантии суперземли с массой в три раза больше земной. Температура при этом поднималась до 18000 Кельвинов.

a Рентгеновские взвешенные структурные коэффициенты SX(Q) после нормализации. b Предполагаемая функция радиального распределения gX(r). Давление и плотность были определены из измерений VISAR (см. Методы в оригинальном исследовании). Анализ проводился с помощью программы Amorpheus13 (см. Методы в оригинальном исследовании).
Автор: Morard, G., Hernandez, JA., Pege, C. et al. Structural evolution of liquid silicates under conditions in Super-Earth interiors. Nat Commun 15, 8483 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51796-7 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Полученные данные, дополненные результатами компьютерного моделирования методом ab initio молекулярной динамики, позволили выявить ряд важных особенностей поведения жидких силикатов при экстремальных условиях.

Во-первых, было обнаружено значительное сжатие связей O-O и Mg-Si, в то время как связи Si-O оставались относительно стабильными. Это говорит о том, что механизм уплотнения вещества в недрах суперземель может существенно отличаться от того, что наблюдается в мантии Земли.

Во-вторых, обнаруженная зависимость локальной структуры жидких силикатов от температуры указывает на необходимость пересмотра некоторых устоявшихся представлений о соотношении свойств жидких и стеклообразных фаз при высоких давлениях.

В-третьих, отсутствие признаков диссоциации MgSiO3 — явления, ранее предсказанного для жидкого состояния при подобных условиях — имеет важные последствия для нашего понимания процессов дифференциации в недрах суперземель.

Положения пиков (r1 и r2) суммарного gX(r) из ударно сжатых жидкостей MgSiO3 по сравнению с холодно сжатыми стеклами MgSiO3 (и соответствующие планки погрешностей)14 и DFT-MD (Дополнительные данные 2 в оригинальном исследовании), как функция плотности и температуры (см. Методы). r1 и r2 относятся к двум первым пикам суммарного gX(r). Звездные символы представляют моделирование AIMD, выполненное для условий Гюгонио P-T-ρ для исходного материала стекла MgSiO3.
Автор: Morard, G., Hernandez, JA., Pege, C. et al. Structural evolution of liquid silicates under conditions in Super-Earth interiors. Nat Commun 15, 8483 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51796-7 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Полученные результаты открывают новые перспективы для изучения планетных материалов при экстремальных условиях. Сочетание XFEL-лазеров и мощных оптических лазеров позволяет проводить эксперименты, которые ранее были немыслимы. Это дает возможность детально исследовать процессы, определяющие формирование и эволюцию планет, как в нашей Солнечной системе, так и за ее пределами.

В будущем подобные исследования, несомненно, помогут нам лучше понять разнообразие планетных миров, а также приблизиться к ответу на вопрос о том, есть ли где-то еще во Вселенной жизнь.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Где корни динозавров? Новый динозавр из Китая проливает свет на раннюю миграцию из Гондваны в Лавразию

А знаете, что? Мир палеонтологии не стоит на месте, и каждая новая находка — как ключ к разгадке древней головоломки. На этот раз внимание ученых приковано к юго-западному Китаю, где был...

Мультиобзор линейки смартфонов Infinix HOT50 («i», «Pro» и «Pro+»): разбираемся со всеми устройствами сразу!

Как и любая другая, линейка HOT у Infinix крепко закрепилась на рынке, предлагая сбалансированные смартфоны по доступной цене. Обновленная линейка HOT50 была представлена тремя устройствами: 50i,...

Лев Николаевич Толстой — пионер в мире моды? Как появилась знаменитая одежда толстовка

Наше будущее находится в нашем прошлом. Это выражение можно отнести и к истории моды. Когда мы слышим имя Льва Николаевича Толстого, перед нашими глазами возникают образы величайших литературных...

Как отличить натуральную красную икру от подделки: гайд для покупателей

Красная икра — популярный деликатес, который часто появляется на праздничных столах. Однако рынок насыщен подделками, и покупка некачественного продукта может не только испортить...

Эволюция новогодней музыки от церковных гимнов до «Jingle Bells» и рекламы Coca-Cola

Последние дни декабря во всем мире озаряются огнями шумных празднеств: у кого-то христианское Рождество, у других более светский и не связанный с религией Новый год, а некоторые умудряются...