Wetenschappers hebben de eerste bouwsteen ontdekt in de vorming van een superaarde

Magnesiumoxide, een sleutelmineraal in de vorming van planeten, zou het eerste kunnen zijn dat stolt in de ontwikkeling van exoplaneten van ‘superaardes’. Zijn gedrag onder extreme omstandigheden heeft een grote invloed op de planetaire evolutie, onthult een nieuwe studie.

Wetenschappers hebben voor het eerst waargenomen hoe magnesiumoxide-atomen transformeren en smelten onder extreem extreme omstandigheden, wat nieuwe inzichten oplevert in dit belangrijke mineraal dat in de aardmantel wordt aangetroffen en waarvan bekend is dat het de vorming van planeten beïnvloedt.

Hoogenergetische laserexperimenten – waarbij kleine kristallen van het metaal werden onderworpen aan het soort hitte en druk dat diep in de mantel van een rotsachtige planeet wordt aangetroffen – suggereren dat de verbinding het eerste metaal zou kunnen zijn dat uit oceanen van magma stolt en ‘superaardes’ vormt. exoplaneten.

“Magnesiumoxide zou de belangrijkste vaste stof kunnen zijn die de thermodynamica van een opkomende superaarde controleert”, zegt John Weeks, assistent-professor aard- en planetaire wetenschappen aan de Johns Hopkins University die het onderzoek leidde. “Als het een zeer hoge smelttemperatuur heeft, zal het de eerste vaste stof zijn die kristalliseert wanneer een hete, rotsachtige planeet begint af te koelen en het binnenste ervan zich scheidt in een kern en een mantel.”

Gevolgen voor jonge planeten

De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Vooruitgang van de wetenschap.

Ze wijzen erop dat de manier waarop magnesiumoxide van de ene vorm naar de andere overgaat belangrijke implicaties kan hebben voor de factoren die bepalen of een jonge planeet een sneeuwbal of een gesmolten gesteente zal zijn, wateroceanen of een atmosfeer zal ontwikkelen, of een combinatie van deze kenmerken zal hebben. .

“In superaardes, waar dit materiaal een groot onderdeel van de mantel zal zijn, zal de transformatie ervan in grote mate bijdragen aan de snelheid waarmee de hitte in het binnenland beweegt, wat zal bepalen hoe het binnenste en de rest van de aarde beweegt.” ‘De planeet vormt en vervormt in de loop van de tijd’, zegt Weeks. “We kunnen dit beschouwen als een proxy voor de binnenkant van deze planeten, omdat dat het materiaal zou zijn dat hun vervorming controleert, wat een van de belangrijkste bouwstenen van rotsachtige planeten is.”

Een weergave van schokverdichte magnesiumoxide (MgO) laserexperimenten in de kamer van het Laser Energy Laboratory. Hoogenergetische lasers worden gebruikt om MgO-monsters te comprimeren tot een druk die hoger is dan die in het centrum van de aarde. Een secundaire röntgenbron wordt gebruikt om de kristalstructuur van MgO te onderzoeken. De helderste gebieden gloeien met plasma-emissie op tijdschalen van nanoseconden. Krediet: June Weeks/Johns Hopkins University

Groter dan de aarde, maar kleiner dan de reuzen willen Neptunus of UranusSuperaardes zijn voornaamste doelwitten Exoplaneet Zoekopdrachten omdat ze vaak worden aangetroffen in andere zonnestelsels in de Melkweg. Hoewel de samenstelling van deze planeten kan variëren van gas tot ijs of water, wordt verwacht dat superrotsachtige planeten grote hoeveelheden magnesiumoxide bevatten, wat ook het magnetische veld, het vulkanisme en andere belangrijke geofysica van de planeet zou kunnen beïnvloeden, zei Weeks On de grond. .

Om de extreme omstandigheden na te bootsen die dit mineraal zou ondergaan tijdens de planeetvorming, stelde het team van Wick kleine monsters bloot aan zeer hoge druk met behulp van de Omega-EP-laserfaciliteit van het Laser Energy Laboratory van de Universiteit van Rochester. De wetenschappers maakten ook röntgenfoto’s en legden vast hoe die lichtstralen terugkaatsten op de kristallen om bij te houden hoe hun atomen zich herschikten als reactie op de toenemende druk, waarbij ze specifiek het punt noteerden waarop ze van vast naar vloeibaar veranderden.

Wanneer ze met extreme kracht worden ingedrukt, veranderen de atomen van materialen zoals magnesiumoxide van rangschikking om de verpletterende druk te behouden. Dit is de reden waarom het mineraal verandert van een steenzout-“fase” die lijkt op keukenzout naar een andere formatie zoals een ander zout, cesiumchloride genaamd, naarmate de druk toeneemt. Dit leidt tot een transformatie die de viscositeit van het metaal en de impact ervan op de planeet naarmate het ouder wordt, kan beïnvloeden, aldus Weeks.

Stabiliteit van magnesiumoxide bij hoge druk

De resultaten van het team laten zien dat magnesiumoxide in beide fasen kan voorkomen bij een druk van 430 tot 500 gigaPascal en temperaturen van ongeveer 9.700 K, bijna tweemaal de temperatuur van het oppervlak van de zon. Experimenten tonen ook aan dat de hoogste druk die het metaal kan weerstaan ​​voordat het volledig smelt, wel 600 GPa bedraagt, ongeveer 600 maal de druk die men zou voelen in de diepste oceaangeulen.

“Magnesiumoxide smelt bij een veel hogere temperatuur dan welke andere stof of mineraal dan ook. Diamant is misschien wel het hardste materiaal, maar dit materiaal zal het laatst smelten,” zei Weeks. “Als het gaat om extreme materialen op kleine planeten, is dit het meest waarschijnlijk magnesiumoxide zijn.” “Vast, terwijl al het andere dat daar in de mantel hangt, in vloeistof zal veranderen.”

Weeks zei dat de studie de stabiliteit en eenvoud van magnesiumoxide onder extreme druk aantoont en wetenschappers zou kunnen helpen nauwkeurigere theoretische modellen te ontwikkelen om belangrijke vragen over het gedrag van dit en andere mineralen in rotsachtige werelden zoals de aarde te onderzoeken.

“De studie is een liefdesbrief aan magnesiumoxide, omdat het verrassend genoeg het hoogste smeltpunt heeft dat we kennen – bij druk buiten het centrum van de aarde – en zich nog steeds gedraagt ​​als gewoon zout,” zei Weeks. “Het is gewoon prachtig, eenvoudig zout, zelfs bij deze recorddrukken en temperaturen.”

Referentie: “B1 naar B2 Transition in Shock-Pressed Magnesium Oxide” door John K. Weken, 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 en Raymond F. Smit, 7 juni 2024, Vooruitgang van de wetenschap.
doi: 10.1126/sciadv.adk0306

Andere auteurs zijn Saransh Singh, Marius Mellot en Dane E. Fratandono, Federica Copari en Martin J. Gorman en John H. Eggert en Raymond F. Smith van het Lawrence Livermore National Laboratory; Zixuan Yi en Anirudh Hari van de Johns Hopkins Universiteit; J. Ryan Rigg van de Universiteit van Rochester; en Thomas S. Duffie van Princeton Universiteit.

Dit onderzoek werd ondersteund door NNSA via het National Laser User Facility Program onder contractnummer DE-NA0002154 en DE-NA0002720 en het Laboratory Directed Research and Development Program bij LLNL (Project nr. 15-ERD-012). Dit werk werd uitgevoerd onder auspiciën van het Amerikaanse ministerie van Energie door Lawrence Livermore National Laboratory onder contractnummer DE-AC52-07NA27344. Dit onderzoek werd ondersteund door de National Nuclear Security Administration via het National Laser User Facility Program (Contractnr. DE-NA0002154 en DE-NA0002720) en het Laboratory Directed Research and Development Program bij LLNL (Projectnr. 15-ERD-014, 17 ). -ERD-014 en 20-ERD-044).