Tillsammans med dess estetiska funktion att hjälpa till att skapa den härliga Aurora Borealis, eller norrsken, det kraftfulla magnetfältet som omger vår planet har också ett ganska viktigt praktiskt värde:det gör livet möjligt.

Genom att avleda skadliga laddade partiklar från solen och de kosmiska strålarna som ständigt bombarderar planeten, och förhindrar solvinden från att erodera atmosfären, Jordens magnetfält har tillåtit flercelliga livsformer upp till och inklusive människor att utvecklas och överleva.

Och nu, med upptäckten av tusentals planeter bortom solsystemet som kallas exoplaneter, forskare är ivriga att lära sig om steniga "superjordar, "upp till 10 gånger mer massiv än jorden, kanske också kan hysa liv.

"Att hitta beboeliga exoplaneter är ett av de tre främsta målen för planetarisk vetenskap och astronomi, ", sade Lawrence Livermore National Laboratory fysiker Rick Kraus. "Med dessa upptäckter kommer många frågor:Hur ser dessa planeter ut? Är vårt solsystem unikt? Är jorden unik? Eller mer specifikt, är jorden unikt beboelig?"

Dessa frågor har inspirerat en aktuell Discovery Science-kampanj från National Ignition Facility (NIF) som syftar till att avgöra om gigantiska stenplaneter kan ha jordliknande magnetfält. En atmosfär, milt klimat och flytande vatten anses vanligtvis vara det absolut nödvändigaste för att livet som vi känner att det ska utvecklas, men närvaron av ett magnetfält är lika viktigt, sa Kraus. "Aktiv plattektonik och en magnetosfär anses båda vara krav för en beboelig exoplanet, ", sade han. "En stabil ytmiljö fri från joniserande strålning är en av de viktigaste egenskaperna hos en planet som anses vara ett krav för beboelighet."

Jordens magnetfält genereras när konvektionsströmmar i planetens flytande järn yttre kärna vrids av planetens spinn, skapa en magneto-dynamo som producerar magnetosfären (dynamos omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi eller i detta fall, magnetism). En planet med bara en fast kärna kanske inte har ett magnetfält, och därmed osannolikt att hysa liv som vi känner det.

"Vi måste förstå smältövergången för järnkärnorna för att avgöra om det ens är möjligt att ha en flytande yttre kärna och en fast inre kärna inom en superjord, sa Kraus.

Smältkurvan är kritisk

"Det inre trycket från superjordarna är så extremt, upp till 35 miljoner gånger (jordens) atmosfärstryck, att vi har väldigt lite information om hur material faktiskt kan bete sig inom dem, ", tillade han. "Smältkurvan för järn är avgörande för att ta itu med frågan om huruvida en superjord skulle kunna ha en skyddande magnetosfär. Det är den tryckinducerade stelningen av järn som frigör den latenta värmen som driver det komplexa konvektionsflödet i en planets kärna."

Forskargruppen använder en NIF-experimentplattform som heter TARDIS (target diffraction in situ) för att studera smältkurvan för järn vid tryck som sträcker sig från fem till 20 megabar (fem till 20 miljoner jordatmosfärer). TARDIS röntgendiffraktionsdiagnostik är utformad för att belysa fasförändringarna, eller strukturella övergångar mellan materietillstånd, som förekommer i material under sådana extrema tryck och temperaturer (se "NIF:s TARDIS strävar efter att erövra tid och rum").

Kampanjen bygger på en ny experimentell teknik som utvecklats vid Omega Laser Facility vid University of Rochester. Forskarna chockar ett järnprov så att det blir flytande vid 2,5 Mbar och använder sedan ramp (stötfri) komprimering för att komprimera det till 10 Mbar. In situ röntgendiffraktion, för närvarande det mest accepterade sättet att mäta smältning och stelning, används för att bekräfta att den första stöten smälte materialet och den efterföljande rampkompressionsvågen fick det att stelna igen (till skillnad från stötkompression, rampkompression håller provtemperaturerna låga och möjliggör studier av materia komprimerad till extrema densiteter).

"Experimenten representerar också ett betydande framsteg jämfört med vad som kan utforskas om smältning av järn med hjälp av statiska kompressionsexperiment, " sa kampanjens huvudutredare, Russell Hemley från George Washington University, chef för Carnegie/DOE Alliance Center (CDAC). "De här experimenten har hittills varit begränsade till tryck på cirka tre Mbar - eller trycket från jordens kärna - och har varit kontroversiella. Därför kommer de nya resultaten också att förbättra vår förståelse av vår egen planets kärna samt ge viktig information om superjordarnas natur och deras potentiella beboelighet."

"Ett sätt att tänka på detta experiment, Kraus sa, "är att vi använder stötvågen för att skapa ett varmt tätt termiskt tillstånd i järnet som liknar det i flytande järns yttre kärna av en superjord. Sedan, genom att sedan stötfritt komprimera järnet simulerar vi den termodynamiska vägen som skulle upplevas av ett paket av järn som konvektion djupt inuti den flytande kärnan av en superjord. Med röntgendiffraktion, vi kan direkt svara på frågan om det där järnpaketet skulle stelna när det når ett föreskrivet djup."

NIF är den enda anläggningen som kan uppnå och undersöka dessa extrema materiatillstånd. Experimenten kräver den höga och varaktiga energiintensiteten som endast kan uppnås på NIF, och laserns unika pulsformande förmåga möjliggör rampkomprimering av järn från 5 till 20 Mbar. Kampanjen tilldelades sex skottdagar under räkenskapsåren 2016 till 2018, tillräckligt för 12 experiment.

"Om vi ​​observerar stelning - diffraktion från stelnat järn - på den mycket kortare tidsskalan för ett laserexperiment, Kraus sa, "då vet vi att smältkurvan är tillräckligt brant för att ha en solid inre kärna och flytande yttre kärna, som skulle kunna möjliggöra en magneto-dynamo inom superjordar. Sedan, vårt mål är att utforska de olika entropitillstånden, eller temperaturprofiler, som kan uppnås i superjordarnas kärnor och undersöka den termodynamiska vägen som ett fallande flytande järnpaket tar. Denna upptäckt skulle vara ett avgörande steg framåt för att bestämma vilka typer av extrasolplaneter som skulle kunna vara beboeliga."