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

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.

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.

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.

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.

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.