تسطيح التصميمات الداخلية للكواكب الخارجية للأرض الفائقة

خلق اكتشاف أكثر من 4500 كوكب خارج الطاقة الشمسية الحاجة إلى تصميم هيكلها الداخلي وديناميكياتها. اتضح أن الحديد يلعب دورًا رئيسيًا.
استخدم العلماء والمتعاونون في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) الليزر في مرفق الإشعال الوطني لتحديد منحنى الانصهار عالي الضغط والخصائص الهيكلية للحديد النقي حتى 1000 جيجا باسكال (ما يقرب من 10000000 يوم من الغلاف الجوي) ، وهو ثلاثة أضعاف ضغط باطن الأرض. الأساسية وما يقرب من أربعة أضعاف الضغط من جميع التجارب السابقة. يظهر البحث بتنسيق العلم.

أجرى الفريق سلسلة من التجارب التي تحاكي الظروف التي شوهدت من خلال بقعة من الحديد تنحدر نحو مركز نواة أرضية عظمى. تم منح التجارب في إطار برنامج NIF Discovery Science ، وهو مفتوح الوصول ومتاح لجميع الباحثين.

قال ريك كراوس ، عالم الفيزياء في LLNL والمؤلف الرئيسي للمقال: “ثراء الحديد داخل الكواكب الصخرية يجعل من الضروري فهم خصائص الحديد واستجابته للظروف القاسية العميقة داخل نوى الكواكب الشبيهة بالأرض الأكثر ضخامة”. . “منحنى ذوبان الحديد ضروري لفهم البنية الداخلية ، والتطور الحراري ، بالإضافة إلى إمكانات الأغلفة المغناطيسية المولدة بالدينامو.”

يُعتقد أن الغلاف المغناطيسي مكون مهم للكواكب الأرضية الصالحة للسكن ، كما هو الحال على الأرض. يتم إنشاء الديناميكا المغناطيسية للأرض في اللب الخارجي للحديد السائل بالحمل الحراري المحيط بالنواة الداخلية للحديد الصلب ويتم تشغيله بواسطة الحرارة الكامنة المنبعثة أثناء تصلب الحديد.

مع أهمية الحديد في الكواكب الأرضية ، هناك حاجة إلى خصائص فيزيائية دقيقة ودقيقة عند الضغوط الشديدة ودرجات الحرارة للتنبؤ بما يحدث داخل الكواكب الداخلية. تعتبر نقطة الانصهار خاصية من الدرجة الأولى للحديد ، والتي لا تزال موضع نقاش حول الظروف داخل الأرض. منحنى الذوبان هو أكبر انتقال ريولوجي يمكن أن تمر به المادة ، من مادة مقاومة إلى أخرى بدونها. هذا هو المكان الذي تتحول فيه المادة الصلبة إلى سائل وتعتمد درجة الحرارة على ضغط الحديد.

من خلال التجارب ، حدد الفريق مدة عمل الدينامو أثناء تصلب اللب إلى الهيكل السداسي المضغوط في الكواكب الخارجية للأرض الفائقة.

قال كراوس: “وجدنا أن الكواكب الخارجية الأرضية التي يزيد وزنها عن أربعة إلى ستة أضعاف كتلة الأرض سيكون لديها أطول دينامو ، مما يوفر درعًا كبيرًا من الإشعاع الكوني”.

قال Kraus ، “إلى جانب اهتمامنا بفهم قابلية الحياة على الكواكب الخارجية ، سيتم تطبيق التقنية التي طورناها للحديد على مواد أكثر ارتباطًا برمجيًا في المستقبل” ، بما في ذلك إدارة المخزون d.

منحنى الذوبان قيد حساس بشكل لا يصدق على معادلة نموذج الحالة.

حصل الفريق أيضًا على دليل على أن حركية التصلب في ظل هذه الظروف القاسية سريعة ، حيث تستغرق نانوثانية فقط للانتقال من سائل إلى صلب ، مما يسمح للفريق بمراقبة حدود مرحلة التوازن. قال كراوس: “تعمل هذه الفكرة التجريبية على تحسين نمذجة لدينا لاستجابة المواد كدالة زمنية لجميع المواد”.

المرجع: “قياس منحنى ذوبان الحديد تحت الظروف الأساسية للأرض الفائقة” بقلم ريتشارد جي كراوس ، راسل جيه. هيملي ، سوزان جيه علي ، جوناثان إل بيلوف ، لورين إكس بنديكت ، جويل بيرنييه ، ديف براون ، ري كوهين ، جيلبرت دبليو كولينز ، فيديريكا كوباري ، مايكل بي ديجارلايس ، داين فراتاندونو ، سيباستيان هاميل ، آندي كريجير ، آمي لازيكي ، جيمس ماكناني ، ماريوس ميلوت ، فيليب سي مينت ، ماثيو جي نيومان ، جيمس آر ريج ، دين إم ستيربنتز ، سارة تي ستيوارت ، لارس ستيكسرود ، داميان سي سويفت ، كريس ويرينبرغ وجون إتش إيغرت ، 13 يناير 2022 ، العلم.
DOI: 10.1126 / science.abm1472

من بين أعضاء فريق ليفرمور الآخرين سوزان علي ، جون بيلوف ، لورين بنديكت ، جويل بيرنييه ، ديف براون ، فيديريكا كوباري ، داين فراتاندونو ، سيباستيان هامل ، آندي كريجير ، إيمي لازيكي ، جيمس مكناني ، ماريوس ميلوت ، فيليب مينت ، دين إم ستيربنتز ، داميان سويفت وكريس ويرينبرج وجون إيجيرت. كما ساهم في الدراسة باحثون من جامعة إلينوي في شيكاغو ، ومعهد كارنيجي للعلوم ، وجامعة روتشستر ، ومختبر سانديا الوطني ، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، وجامعة كاليفورنيا في ديفيس ، وجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس. .

يتم تمويل العمل من قبل برنامج فيزياء وتصميم الأسلحة في LLNL وبرنامج NIF’s Discovery Science.