Forskare har länge funderat över hur steniga kroppar i solsystemet – inklusive vår egen jord – fick sina metallkärnor. Enligt forskning utförd av University of Texas i Austin, bevis pekar på nedåtriktad genomströmning av smält metall mot planetens centrum genom små kanaler mellan stenkorn.

Fyndet ifrågasätter tolkningen av tidigare experiment och simuleringar som försökte förstå hur metaller beter sig under intensiv värme och tryck när planeter bildas. Tidigare resultat antydde att stora delar av smält metall stannade kvar i isolerade porer mellan kornen. I kontrast, den nya forskningen tyder på att när de isolerade porerna växer tillräckligt stora för att ansluta, den smälta metallen börjar rinna, och det mesta kan sippra längs korngränserna. Denna process skulle låta metall sippra ner genom manteln, samlas i mitten, och bildar en metallkärna, som järnkärnan i hjärtat av vår hemplanet.

"Vad vi säger är att när smältnätverket blir anslutet, den förblir ansluten tills nästan all metall är i kärnan, " sa medförfattaren Marc Hesse, en docent vid UT Jackson School of Geosciences Department of Geological Sciences, och medlem av UT:s Institute for Computational Engineering and Sciences.

Forskningen publicerades den 4 december i Proceedings of the National Academy of Sciences . Arbetet var Soheil Ghanbarzadehs doktorsavhandling, som tog sin Ph.D. medan han studerade vid UT Department of Petroleum and Geosystems Engineering (nu Hildebrand Department of Petroleum and Geosystems Engineering). Han arbetar för närvarande som reservoaringenjör på BP America. Soheil rådgavs gemensamt av Hesse och Maša Prodanovic, en docent vid Hildebrandsavdelningen och en medförfattare.

Planeter och planetesimaler (små planeter och stora asteroider) bildas främst av silikatstenar och metall. En del av planetbildningsprocessen innebär att den initiala massan av material separeras i en metallisk kärna och ett silikatskal som består av manteln och skorpan. För att perkolationsteorin om kärnbildning ska fungera, den stora majoriteten av metallen i planetkroppen måste ta sig till mitten.

I den här studien, Ghanbarzadeh utvecklade en datormodell för att simulera fördelningen av smält järn mellan stenkorn som porositet, eller smältfraktion, ökat eller minskat. Simuleringarna utfördes på Texas Advanced Computing Center. Forskare fann att när metallen börjar flöda, den kan fortsätta att flyta även när smältfraktionen minskar avsevärt. Detta är i motsats till tidigare simuleringar som fann att när metallen väl börjar rinna, det krävs bara ett litet dopp i smältvolymen för att perkoleringen ska sluta.

"Folk har antagit att du kopplar bort vid samma smältfraktion som du först kopplade... och det skulle lämna betydande mängder av metallen kvar, "Hesse sa. "Vad vi fann är att när metallsmältan ansluter och när den kopplar bort är inte nödvändigtvis samma sak."

Enligt datormodellen, endast 1 till 2 procent av den ursprungliga metallen skulle fångas i silikatmanteln när perkoleringen upphör, vilket stämmer överens med mängden metall i jordens mantel.

Forskarna pekar på arrangemanget av bergkornen för att förklara skillnaderna i hur väl sammankopplade utrymmena mellan kornen är. Tidigare arbete använde ett geometriskt mönster av regelbundna, identiska korn, medan detta arbete förlitade sig på simuleringar med en oregelbunden korngeometri, som tros mer spegla verkliga förhållanden. Geometrin genererades med hjälp av data från ett polykristallint titanprov som skannades med hjälp av röntgenmikrotomografi.

"Den numeriska modellen som Soheil utvecklade i sin doktorsavhandling gjorde det möjligt för första gången att hitta tredimensionella smältnätverk av vilken geometrisk komplexitet som helst, ", sa Prodanovic. "Att ha en tredimensionell modell är nyckeln för att förstå och kvantifiera hur smältfångning fungerar."

Ansträngningen gav resultat eftersom forskare fann att geometrin har en stark effekt på smältanslutning. I de oregelbundna kornen, smältkanalerna varierar i bredd, och de större förblir anslutna även när det mesta av metallen rinner bort.

"Vad vi gjorde annorlunda här var att lägga till elementet av nyfikenhet för att se vad som händer när du dränerar smältan från det porösa, formbar sten, sa Ghanbarzadeh.

Forskarna jämförde också sina resultat med ett metalliskt smältnätverk bevarat i en ankondritmeteorit, en typ av meteorit som kom från en planetkropp som differentierade till urskiljbara lager. Röntgenbilder av meteoriten tagna i Jackson Schools högupplösta röntgen-CT-anläggning avslöjade en metallfördelning som är jämförbar med de beräknade smältnäten. Prodanovic sa att denna jämförelse visar att deras simulering fångar de egenskaper som observerats i meteoriten.