De enorma krafterna som genereras av Z-maskinen vid Sandia National Laboratories används för att replikera gravitationstrycket på så kallade "superjordar" för att avgöra vilka som kan upprätthålla atmosfärer som kan stödja liv.

Astronomer tror att superjordar – samlingar av stenar som är upp till åtta gånger större än jorden – finns i miljontals i vår galax. "Frågan framför oss är om någon av dessa superplaneter verkligen är jordliknande, med aktiva geologiska processer, atmosfärer och magnetfält, " sa Sandia-fysikern Joshua Townsend.

Det aktuella arbetet på Z beskrivs i dagens Naturkommunikation . Forskare i Sandias Fundamental Science Program, arbeta med kollegor vid Earth and Planets Laboratory vid Carnegie Institution for Science i Washington, D.C., använda krafterna som finns tillgängliga på Sandias unikt kraftfulla Z-anläggning för att nästan omedelbart applicera motsvarande enorma gravitationstryck på bridgmanit, även känd som magnesiumsilikat, det vanligaste materialet på fasta planeter.

Experimenten, sa Townsend, födde en datastödd tabell som visar när en planets inre skulle vara solid, flytande eller gasformig under olika tryck, temperaturer och densiteter, och inom vilka förutspådda tidsperioder. Endast en flytande kärna – med dess metaller som skiftar över varandra under förhållanden som liknar en jordisk dynamo – producerar magnetfält som kan skjuta bort destruktiva solvindar och kosmiska strålar från en planets atmosfär, låta livet överleva. Denna kritiska information om magnetfältstyrkor som produceras av kärntillstånden hos superjordar av olika storlek var tidigare otillgänglig:kärnor är väl dolda av huvuddelen av planeterna som omger dem, och därmed inte synlig vid fjärrvisning. För forskare som föredrog jordiska experiment snarare än långdistansavbildning, tillräckliga påtryckningar var inte tillgängliga förrän Z:s kapacitet togs in.

Yingwei Fei, motsvarande författare till den aktuella studien och senior forskare vid Carnegies Earth and Planets Laboratory, är känd för sin skicklighet i att syntetisera bridgmanit med stor diameter med hjälp av multitonpressar med sintrade diamantstäd.

"Z har gett vårt samarbete ett unikt verktyg som ingen annan teknik kan matcha, för oss att utforska de extrema förhållandena i superjordarnas interiörer, ", sa han. "Maskinens oöverträffade högkvalitativa data har varit avgörande för att främja vår kunskap om superjordar."

De magnifika sju

Ytterligare analys av tillståndet för gasformiga och täta material på specifika superjordar gav en lista på sju planeter som möjligen är värda att studera vidare:55 Cancri e; Kepler 10b, 36b, 80e, och 93b; CoRoT-7b; och HD-219134b.

Sandias manager Christopher Seagle, som med Fei ursprungligen föreslog dessa experiment, sa, "Dessa planeter, som vi funnit mest sannolikt stödja livet, valdes ut för vidare studier eftersom de har liknande förhållanden som jorden i sitt järn, silikater och flyktiga gaser, förutom inre temperaturer som bidrar till att bibehålla magnetfält för skydd mot solvind."

Fokus på superstora, snarare än liten, planeter kom till eftersom stora gravitationstryck betyder att atmosfärer är mer benägna att överleva under lång tid, sa Townsend.

Till exempel, han sa, "Eftersom Mars var mindre, den hade ett svagare gravitationsfält till att börja med. Sedan när dess kärna snabbt svalnade, den förlorade sitt magnetfält och dess atmosfär avlägsnades därefter."

Z i aktion

För dessa experiment, Z-maskinen, med driftsförhållanden på upp till 26 miljoner ampere och hundratusentals volt, skapar magnetiska pulser med enorm kraft som accelererar bitar av koppar och aluminium i kreditkortsstorlek som kallas flygblad. Dessa drevs mycket snabbare än en gevärskula in i prover av bridgmanit, jordens vanligaste mineral. Det nästan momentana trycket från den kraftfulla interaktionen skapade längsgående och tvärgående ljudvågor i materialet som avslöjar om materialet förblir fast eller ändras till en vätska eller gas, sa Sandia-forskaren och pappersförfattaren Chad McCoy. Med dessa nya resultat, forskarna försågs med solida data som de kunde förankra annars teoretiska planetmodeller.

Den tekniska uppsatsen drar slutsatsen att data med hög precision densitet och enastående höga smälttemperaturer som uppnås vid Z-maskinen "ger riktmärken för teoretiska beräkningar under extrema förhållanden."

avslutade Fei, "Vårt samarbete med Sandia-forskare har lett till resultat som kommer att uppmuntra mer akademisk utforskning av exoplaneter, vars upptäckt har fångat allmänhetens fantasi."

"Detta arbete identifierar intressanta exoplanetkandidater att utforska vidare, " sade Seagle. "Z-chockkompression plus Feis ovanliga förmåga att syntetisera bridgmanit med stor diameter leder till en möjlighet att få data som är relevanta för exoplaneter som inte skulle vara möjliga någon annanstans."