Поперечное сечение экзопланеты суперземли, обнажающее мантию и ядро. Целевая камера National Ignition Facility наложена на мантию. Расплавленное ядро создает магнитное поле Земли, которое защищает жизнь, какой мы ее знаем.
Согласно исследованию, опубликованному в четверг в журнале Science, расплавленные ядра более крупных каменистых экзопланет должны оставаться горячими дольше, чем в небольших мирах. Это хорошая новость для межзвездных исследователей, потому что расплавленное ядро, вероятно, необходимо для развития жизни на планете.
Чтобы определить эту особенность экзопланет, потребовался эксперимент с гигантскими лазерами и невероятно тонким куском железа, помещенным под беспрецедентное давление. «Мы находим так много планет, и [один из] больших вопросов, которые возникают у людей, звучит так: потенциально ли эти планеты пригодны для жизни?» — говорит Рик Краус, физик из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, руководивший исследованием.
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи обычно не начинают с размышлений о ядре планеты. Вместо этого они спрашивают, находится ли планета на правильном расстоянии от своей звезды и есть ли на ней вода. Но Краус и его команда хотели найти другие способы определить, пригодна ли планета для жизни.
По словам Крауса, они исследовали способность планеты формировать магнитосферу — магнитное поле, которое защищает ее от солнечной радиации, как то, что окружает Землю. Жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможна без магнитного поля Земли.
Магнитные поля являются результатом расплавления планетарных ядер. Земля имеет ядро, состоящее в основном из железа, разделенное на твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее ядро. Магнитное поле Земли вызвано конвекцией жидкого железа, то есть тем, как оно закручивается: более холодные и плотные области жидкости опускаются на дно, а более горячие поднимаются, как воск в лавовой лампе.
Изучение ядра экзопланеты в лаборатории затруднено, потому что существует несколько способов воссоздать такие высокие давления и температуры. По словам Крауса, это первый эксперимент по использованию железа под давлением, превышающим давление в ядре Земли. Чтобы достичь этих пределов, команде понадобились несколько больших лазеров, в частности, Национальная установка зажигания в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, где большие лазеры являются их специальностью.
В эксперименте эти лазеры взрывали многослойный образец железа. По словам Крауса, слои бериллия, металлический элемент и несколько фильтров образовывали внешнюю сторону сверхтонкого железного «бутерброда», а кусок прозрачного фторида лития составлял другую половину. Внешний бериллиевый слой нагрелся на тысячи градусов за «доли миллиардных долей секунды», говорит он, и эта сторона сэндвича превратилась в плазму.
Обратите внимание: Учёные обнаружили воду на луне!.
Затем плазма расширилась, запустив в образец мощную ударную волну.Этот процесс имитирует условия, в которых кусок раскаленного железа будет испытываться, спускаясь через расплавленное ядро планеты. «Вы чертовски шокируете», — говорит Питер Дрисколл, геофизик из Carnegie Science, моделирующий ядро Земли и других планет и не участвовавший в исследовании, который добавляет, что это был сложный процесс для изучения. Это разрушает образец, поэтому экспериментаторам приходится собирать данные за один раз. По его словам, этот процесс дал лишь «пару точек данных», но «эксперименты такого рода очень ценны».
Когда образец достиг пикового давления, другой прибор проверил, остается ли это железо твердым или жидким в ключевые моменты времени, чтобы помочь исследователям сосредоточиться на поведении железа при этих высоких давлениях и температурах.
Команда обнаружила, что «по мере увеличения давления температура увеличивается довольно быстро», — говорит Краус. Для экзопланет это означает, что чем больше они становятся, тем дольше затвердевают их ядра. По его словам, суперземли, масса которых в четыре-шесть раз превышает массу Земли, займут больше всего времени. По оценкам команды, для затвердевания ядра Земли потребуется в общей сложности 6 миллиардов лет, в то время как для ядер крупных экзопланет с таким же составом, как Земля, потребуется на 30 процентов больше времени.
«Хотя это может показаться интуитивным», — говорит Краус, — со всеми факторами это не было данностью.
По словам Дрисколла, измерение того, как железо плавится в экстремальных условиях, очень важно, потому что оно говорит вам, будет ли затвердевать ядро планеты, и если да, то каким образом. Даже на границе между твердым внутренним ядром Земли и жидким внешним ядром ученые не знают точно, какова температура, хотя, по оценкам, она близка к температуре поверхности Солнца, примерно 10 000°F.
По словам Дрисколла, одна из проблем с экстраполяцией этих результатов на экзопланеты заключается в том, что эти суперземли могут содержать в своем ядре элементы, отличные от железа, что изменит их температуру плавления на неизвестную величину. Также будет трудно предсказать, как остывают экзопланеты, потому что мантия, слой горячей породы, окружающая ядро, играет огромную роль в том, как быстро может остыть ядро. И эти экзопланетные мантии могут быть сделаны «почти из чего угодно», говорит он.
Венера, по словам Дрисколла, является ярким примером такого разрыва. На бумаге его состав очень похож на состав Земли, но в нем отсутствуют магнитное поле и тектоника плит.
Другие факторы также могут решить, сформируется ли магнитосфера, например, насколько хорошо материал в ядре пропускает через себя тепло или электричество. Но эти характеристики трудно измерить даже на Земле — ученым удалось измерить поток тепла через ядро Земли только в последнее десятилетие. Тем не менее, говорит Дрисколл, это будет «следующее, что нужно сделать».
#космос #космос исследования #ученые использовали #ядро земли #экзопланеты #лазеры #наука #астрономия #научные исследования
Еще по теме здесь: Космос.
Источник: Ученые использовали гигантские лазеры для имитации сверхгорячего ядра экзопланеты.