I ett papper publicerat idag av Natur Astronomi , ett team av forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Princeton Universitet, Johns Hopkins University och University of Rochester har tillhandahållit det första experimentellt baserade massradius-förhållandet för en hypotetisk ren järnplanet vid superjordens kärnförhållanden.

Denna upptäckt kan användas för att utvärdera troligt kompositionsutrymme för stora, steniga exoplaneter, utgör grunden för framtida planetariska inredningsmodeller, som i sin tur kan användas för att mer exakt tolka observationsdata från Kepler rymduppdrag och hjälpa till att identifiera planeter som är lämpliga för beboelse.

"Upptäckten av ett stort antal planeter utanför vårt solsystem har varit en av de mest spännande vetenskapliga upptäckterna i denna generation, "sa Ray Smith, en fysiker vid LLNL och huvudförfattare till forskningen. "Dessa upptäckter väcker grundläggande frågor. Vilka är de olika typerna av extrasolära planeter och hur bildas och utvecklas de? Vilka av dessa objekt kan eventuellt upprätthålla ytförhållanden som är lämpliga för livet? För att ta itu med sådana frågor, det är nödvändigt att förstå sammansättningen och den inre strukturen hos dessa föremål. "

Av de mer än 4, 000 bekräftade och kandidat extrasolära planeter, de som är en till fyra gånger jordens radie är nu kända för att vara de mest förekommande. Detta storleksintervall, som sträcker sig mellan jorden och Neptunus, inte representeras i vårt eget solsystem, vilket indikerar att planeter bildas över ett större antal fysiska förhållanden än man tidigare trott.

"Att bestämma den inre strukturen och sammansättningen av dessa superjordplaneter är utmanande men är avgörande för att förstå mångfalden och utvecklingen av planetsystem inom vår galax, "Sa Smith.

Som kärntryck för även en 5 × -Jordmassa kan nå upp till 2 miljoner atmosfärer, ett grundläggande krav för att begränsa exoplanetär sammansättning och inre struktur är en noggrann bestämning av materialegenskaperna vid extrema tryck. Järn (Fe) är ett kosmokemiskt rikligt element och, som den dominerande beståndsdelen i markbundna planetkärnor, är ett viktigt material för att studera superjordinteriörer. En detaljerad förståelse av järnets egenskaper vid superjordförhållanden är en väsentlig del av teamets experiment.

Forskarna beskriver en ny generation högeffektslaserexperiment, som använder rampkomprimeringstekniker för att tillhandahålla den första absoluta ekvationen av tillståndsmätningar av Fe vid de extrema tryck- och densitetsförhållanden som finns inom superjordskärnor. Sådan stötfri dynamisk komprimering är unikt lämpad för komprimering av material med minimal uppvärmning till TPa-tryck (1 TPa =10 miljoner atmosfärer).

Experimenten utfördes vid LLNL:s National Ignition Facility (NIF). NIF, världens största och mest energiska laser, kan leverera upp till 2 megajoule laserenergi över 30 nanosekunder och ger den nödvändiga laserkraften och styrningen för att komprimera material till TPa -tryck. Teamets experiment nådde topptryck på 1,4 TPa, fyra gånger högre tryck än tidigare statiska resultat, som representerar kärnförhållanden som finns med en 3-4x jordmassplanet.

"Planetära inredningsmodeller, som förlitar sig på en beskrivning av ingående material under extrema tryck, är vanligtvis baserade på extrapoleringar av lågtrycksdata och producerar ett brett spektrum av predikerade materialtillstånd. Våra experimentella data ger en fastare grund för att fastställa egenskaperna hos en superjordplanet med en ren järnplanet, "Smith sa." Dessutom, vår studie visar förmågan att bestämma tillståndsekvationer och andra viktiga termodynamiska egenskaper hos planetära kärnmaterial vid tryck långt utöver konventionella statiska tekniker. Sådan information är avgörande för att öka vår förståelse av strukturen och dynamiken hos stora steniga exoplaneter och deras utveckling. "

Framtida experiment på NIF kommer att utvidga studiet av planetmaterial till flera TPa samtidigt som nanosekundröntgendiffraktionstekniker kombineras för att bestämma kristallstrukturens utveckling med tryck.