Wissenschaftler haben den ersten Baustein für die Entstehung einer Supererde entdeckt

Magnesiumoxid, ein Schlüsselmineral bei der Planetenentstehung, könnte das erste sein, das sich bei der Entwicklung von „Supererden“-Exoplaneten verfestigt, wobei sein Verhalten unter extremen Bedingungen die Planetenentwicklung stark beeinflusst, wie eine neue Studie zeigt.

Wissenschaftler haben zum ersten Mal beobachtet, wie sich Magnesiumoxidatome unter extrem extremen Bedingungen umwandeln und schmelzen. Dies lieferte neue Erkenntnisse über dieses Schlüsselmineral im Erdmantel, das bekanntermaßen die Planetenbildung beeinflusst.

Hochenergetische Laserexperimente, bei denen winzige Kristalle des Metalls der Hitze und dem Druck ausgesetzt wurden, die tief im Mantel eines felsigen Planeten herrschen, deuten darauf hin, dass die Verbindung das erste Metall sein könnte, das aus Magmameeren zu „Supererden“ erstarrt. Exoplaneten.

„Magnesiumoxid könnte der wichtigste Feststoff sein, der die Thermodynamik einer entstehenden Supererde steuert“, sagte John Weeks, Assistenzprofessor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Johns Hopkins University, der die Forschung leitete. „Wenn es eine sehr hohe Schmelztemperatur hat, ist es der erste Feststoff, der kristallisiert, wenn ein heißer, felsiger Planet abkühlt und sich sein Inneres in einen Kern und einen Mantel trennt.“

Auswirkungen auf junge Planeten

Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Fortschritt der Wissenschaft.

Sie weisen darauf hin, dass die Art und Weise, wie Magnesiumoxid von einer Form in eine andere übergeht, wichtige Auswirkungen auf die Faktoren haben könnte, die steuern, ob ein junger Planet ein Schneeball oder ein geschmolzenes Gestein ist, Wasserozeane oder eine Atmosphäre entwickelt oder eine Kombination dieser Merkmale aufweist . .

„In Supererden, wo dieses Material ein großer Bestandteil des Erdmantels sein wird, wird seine Umwandlung stark dazu beitragen, wie schnell sich die Wärme im Inneren bewegt, was wiederum steuern wird, wie sich das Innere und der Rest der Erde bewegen.“ „Der Planet formt und verformt sich im Laufe der Zeit“, sagte Weeks. „Wir können uns das als Stellvertreter für das Innere dieser Planeten vorstellen, denn das wäre das Material, das ihre Verformung kontrolliert, was einer der wichtigsten Bausteine ​​von Gesteinsplaneten ist.“

Ein Blick auf schockverdichtete Magnesiumoxid (MgO)-Laserexperimente in der Kammer des Laserenergielabors. Mit hochenergetischen Lasern werden MgO-Proben auf Drücke komprimiert, die über denen im Erdmittelpunkt liegen. Eine sekundäre Röntgenquelle wird verwendet, um die Kristallstruktur von MgO zu untersuchen. Die hellsten Bereiche leuchten mit Plasmaemission im Nanosekundenbereich. Bildnachweis: June Weeks/Johns Hopkins University

Größer als die Erde, aber kleiner, als es den Riesen gefällt Neptun oder UranusSupererden sind Hauptziele Exoplanet Gesucht, weil sie häufig in anderen Sonnensystemen der Galaxie vorkommen. وقال ويكس إنه في حين أن تكوين هذه الكواكب يمكن أن يختلف من الغاز إلى الجليد أو الماء، فمن المتوقع أن تحتوي الكواكب الصخرية الفائقة على كميات كبيرة من أكسيد المغنيسيوم الذي يمكن أن يؤثر على المجال المغناطيسي للكوكب، والبراكين، وغيرها من الجيوفيزياء الرئيسية كما هو الحال Auf dem Boden. .

Um die extremen Bedingungen nachzuahmen, denen dieses Mineral während der Planetenentstehung ausgesetzt sein würde, setzte Wicks Team kleine Proben mit der Omega-EP-Laseranlage im Laser Energy Laboratory der University of Rochester sehr hohen Drücken aus. Die Wissenschaftler bildeten auch Röntgenstrahlen ab und zeichneten auf, wie diese Lichtstrahlen von den Kristallen reflektiert wurden, um zu verfolgen, wie sich ihre Atome als Reaktion auf steigende Drücke neu anordneten, wobei sie insbesondere den Punkt notierten, an dem sie von fest zu flüssig wechselten.

Wenn sie mit extremer Kraft gepresst werden, ändern die Atome von Materialien wie Magnesiumoxid ihre Anordnung, um den Druck aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund verändert sich das Mineral mit zunehmendem Druck von einer Steinsalz-„Phase“, die Speisesalz ähnelt, in eine andere Formation wie ein anderes Salz namens Cäsiumchlorid. Dies führt zu einer Transformation, die sich auf die Viskosität des Metalls und seine Auswirkungen auf den Planeten auswirken kann, wenn es altert, sagte Weeks.

Stabilität von Magnesiumoxid bei hohen Drücken

Die Ergebnisse des Teams zeigen, dass Magnesiumoxid in beiden Phasen bei Drücken von 430 bis 500 GigaPascal und Temperaturen von etwa 9.700 K existieren kann, was fast dem Doppelten der Temperatur der Sonnenoberfläche entspricht. Experimente zeigen auch, dass die höchsten Drücke, denen das Metall standhalten kann, bevor es vollständig schmilzt, bis zu 600 GPa betragen, etwa das 600-fache des Drucks, den man in den tiefsten Meeresgräben spüren würde.

„Magnesiumoxid schmilzt bei einer viel höheren Temperatur als jede andere Substanz oder jedes andere Mineral, aber dieses schmilzt am wahrscheinlichsten“, sagte Weeks Magnesiumoxid sein.“ „Fest, während alles andere, was da draußen im Mantel hängt, flüssig wird.“

Weeks sagte, die Studie zeige die Stabilität und Einfachheit von Magnesiumoxid unter extremen Drücken und könne Wissenschaftlern dabei helfen, genauere theoretische Modelle zu entwickeln, um Schlüsselfragen zum Verhalten dieses und anderer Mineralien in Gesteinswelten wie der Erde zu untersuchen.

„Die Studie ist ein Liebesbrief an Magnesiumoxid, denn überraschenderweise hat es den höchsten Temperaturschmelzpunkt, den wir kennen – bei Drücken jenseits des Erdmittelpunkts – und verhält sich immer noch wie normales Salz“, sagte Weeks. „Es ist einfach wunderschönes, einfaches Salz, selbst bei diesen Rekorddrücken und -temperaturen.“

Referenz: „B1 to B2 Transition in Shock-Pressed Magnesium Oxide“ von John K. Weeks, Saransh Singh, Marius Mellot, Dane E. Fratandono, Federica Copari, Martin J. Gorman, Zhixuan Yi, J. Ryan Rigg, Anirudh Hari, John H. Eggert, Thomas S. Duffy und Raymond F. Smith, 7. Juni 2024, Fortschritt der Wissenschaft.
doi: 10.1126/sciadv.adk0306

Weitere Autoren sind Saransh Singh, Marius Mellot und Dane E. Fratandono, Federica Copari und Martin J. Gorman und John H. Eggert und Raymond F. Smith vom Lawrence Livermore National Laboratory; Zixuan Yi und Anirudh Hari von der Johns Hopkins University; J. Ryan Rigg von der University of Rochester; und Thomas S. Duffy von Princeton Universität.

Diese Forschung wurde von NNSA durch das National Laser User Facility Program unter den Vertragsnummern DE-NA0002154 und DE-NA0002720 und das Laboratory Directed Research and Development Program am LLNL (Projekt Nr. 15-ERD-012) unterstützt. Diese Arbeit wurde unter der Schirmherrschaft des US-Energieministeriums vom Lawrence Livermore National Laboratory unter der Vertragsnummer DE-AC52-07NA27344 durchgeführt. Diese Forschung wurde von der National Nuclear Security Administration durch das National Laser User Facility Program (Vertrags-Nr. DE-NA0002154 und DE-NA0002720) und das Laboratory Directed Research and Development Program am LLNL (Projekt-Nr. 15-ERD-014, 17) unterstützt ). -ERD-014 und 20-ERD-044).