Studien beskriver en ny generation lasereffekt med hög effekt som ger den första absoluta tillståndsekvationen för järn under extrema tryck- och densitetsförhållanden.
En grupp forskare från Livermore National Laboratory. Lawrence (LLNL), Princeton University, Johns Hopkins University och University of Rochester (USA) bestämde för första gången experimentellt beroende av massradius hos en hypotetisk metallplanet med egenskaperna hos en superjordkärna. Forskarnas arbete presenteras i tidskriften Nature Astronomy.
”Upptäckten av ett stort antal planeter utanför solsystemet var en av de mest spännande vetenskapliga upptäckterna i denna generation. Dessa studier väcker grundläggande frågor. Vilka är de olika typerna av extrasolära planeter, och hur formar de sig och utvecklas? Vilka av dessa föremål kan bibehålla acceptabla levnadsvillkor på ytan? För att ta itu med dessa problem måste du förstå sammansättningen och den inre strukturen för dessa objekt, säger Ray Smith, fysiker vid LLNL och huvudförfattare till studien.
Resultaten kan användas för att uppskatta sammansättningen av stora klippiga exoplaneter, och utgör grunden för framtida modeller av planetariska djup, som i sin tur kan användas för att mer exakt tolka observationsdata från Kepler rymduppdrag och hjälpa till att fastställa bebobara planeter.
Det är känt att av mer än 4 000 exoplaneter och kandidater för denna roll är de vanligaste de som överskrider jordens radie med 1-4 gånger. Sådana extrasolära världar är inte representerade i vårt system. Detta indikerar att planeter bildas i ett större utbud av fysiska förhållanden än tidigare trott. Att fastställa den inre strukturen och sammansättningen av superjordar är utmanande, men avgörande för att förstå mångfalden och utvecklingen av planetsystem i vår galax.
Eftersom trycket i kärnan i en exoplanet 5 gånger jordens massa kan nå två miljoner atmosfärer är ett grundläggande krav för att begränsa kompositionen för en exoplanet och dess inre struktur att exakt bestämma egenskaperna hos materialet under extremt tryck. Järn är den dominerande komponenten i planetkärnorna på jordliknande planeter. En detaljerad förståelse av egenskaperna hos järn under superjordförhållanden blev en stor utmaning i forskningen från Ray Smiths team.
Forskare har beskrivit en ny generation av kraftfulla laserexperiment som ger den första absoluta tillståndslikningen för järn under extremt tryck och densitet i superjordens kärna. Metoden är lämplig för komprimering av material med minimal uppvärmning till ett tryck av 1 terapascal (1 TPa = 10 miljoner atmosfärer).
Rekreation av superjordkärnan i NIF-kameran sett av konstnären. Kredit: Mark Meamber (NIF).
Kampanjvideo:
Experimenten genomfördes vid LLNL National Ignition Complex (NIF). NIF, världens största och kraftfullaste laser, kan leverera upp till 2 megajouler laserenergi på 30 nanosekunder och leverera den nödvändiga laserkraften och kontrollen av materialkomprimering upp till TPa-tryck. Lagets experiment nådde ett topptryck på 1,4 TPa, fyra gånger trycket från de tidigare statiska resultaten, som beskrev de grundläggande förhållandena för en superjord 3-4 gånger jordens massa.
”Inre modeller av planetenheter baserade på beskrivningen av kompositmaterial vid extrema tryck extrapolerar vanligtvis lågtrycksdata och skapar ett brett utbud av möjliga materialtillstånd. Våra experimentella data ger en solid grund för att bestämma egenskaperna hos en superjord och en hypotetisk metallplanet. Dessutom visar studien förmågan att bestämma ekvationer av tillstånd och andra viktiga termodynamiska egenskaper hos planetära kärnmaterial vid tryck långt över konventionella statiska metoder. Sådan information är avgörande för att få en förståelse för strukturen för stora steniga exoplaneter och deras utveckling, säger Ray Smith.
Framtida NIF-experiment kommer att utvidga studien av material under flera TPa-tryck genom att kombinera nanosekund röntgendiffraktionstekniker för att bestämma utvecklingen av kristallstrukturen som funktion av tryck.
Arina Vasilieva