Med kraftfulla laserstrålar, Forskare har simulerat förhållanden inuti en planet som är tre gånger så stor som jorden.

Forskare har identifierat mer än 2, 000 av dessa "superjordar, "exoplaneter som är större än jorden men mindre än Neptunus, den näst största planeten i vårt solsystem. Genom att studera hur järn- och kisellegeringar reagerar på extraordinärt tryck, forskare får nya insikter om superjordarnas natur och deras kärnor.

"Vi har nu en teknik som tillåter oss att direkt komma åt de extrema trycken i exoplaneternas djupa inre och mäta viktiga egenskaper, "sa Thomas Duffy, professor i geovetenskap vid Princeton. "Tidigare, forskare var begränsade till antingen teoretiska beräkningar eller långa extrapolationer av lågtrycksdata. Möjligheten att utföra direkta experiment gör att vi kan testa teoretiska resultat och ger en mycket högre grad av förtroende för våra modeller för hur material beter sig under dessa extrema förhållanden. "

Arbetet, vilket resulterade i de högsta tryckröntgendiffraktionsdata som någonsin registrerats, leddes av June Wicks när hon var associerad forskare vid Princeton, arbetar med Duffy och kollegor vid Lawrence Livermore National Laboratory och University of Rochester. Deras resultat publicerades idag i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Eftersom superjordar inte har några direkta analoger i vårt eget solsystem, forskare är ivriga att lära sig mer om deras möjliga strukturer och kompositioner, och därigenom få insikter i vilka typer av planetariska arkitekturer som kan finnas i vår galax. Men de står inför två viktiga begränsningar:vi har inga direkta mätningar av vår egen planetariska kärna att extrapolera från, och inre tryck i superjordar kan nå mer än tio gånger trycket i jordens centrum, långt utanför intervallet för konventionella experimentella tekniker.

Trycket som uppnås i denna studie - upp till 1, 314 gigapascal (GPa) - är ungefär tre gånger högre än tidigare experiment, gör dem mer direkt användbara för att modellera den inre strukturen hos stora, steniga exoplaneter, Sa Duffy.

"De flesta högtrycksexperiment använder diamantstädceller som sällan når mer än 300 GPa, "eller 3 miljoner gånger trycket på jordens yta, han sa. Trycket i jordens kärna når upp till 360 GPa.

"Vårt tillvägagångssätt är nyare, och många människor i samhället är inte lika bekanta med det ännu, men vi har visat i detta (och tidigare) arbete att vi rutinmässigt kan nå tryck över 1, 000 GPa eller mer (om än bara för en bråkdel av en sekund). Vår förmåga att kombinera detta mycket höga tryck med röntgendiffraktion för att få strukturell information ger oss ett nytt verktyg för att utforska planetariska interiörer, " han sa.

Forskarna komprimerade två prover för bara några miljarder av en sekund, precis tillräckligt lång för att undersöka atomstrukturen med en puls av ljusa röntgenstrålar. Det resulterande diffraktionsmönstret gav information om densiteten och kristallstrukturen hos järn-kisellegeringarna, avslöjar att kristallstrukturen förändrades med högre kiselhalt.

"Metoden för simultan röntgendiffraktion och chockexperiment är fortfarande i sin linda, så det är spännande att se en "verklig tillämpning" för jordens kärna och bortom, "sa Kanani Lee, en docent i geologi och geofysik vid Yale University som inte var involverad i denna forskning.

Denna nya teknik utgör ett "mycket betydande" bidrag till området för exoplanetforskning, sa Diana Valencia, en pionjär inom området och en biträdande professor i fysik vid University of Toronto-Scarborough, som inte var involverad i denna forskning. "Det här är en bra studie eftersom vi inte bara extrapolerar från lågtryck och hoppas på det bästa. Detta ger oss faktiskt det" bästa, ger oss den informationen, och därför begränsar det våra modeller bättre."

Wicks och hennes kollegor riktade en kort men intensiv laserstråle mot två järnprover:en legerad med 7 viktprocent kisel, liknande den modellerade sammansättningen av jordens kärna, och en annan med 15 viktprocent kisel, en komposition som är möjlig i exoplanetära kärnor.

En planets kärna utövar kontroll över dess magnetfält, termisk evolution och mass-radieförhållande, Sa Duffy. "Vi vet att jordens kärna är järn legerat med cirka 10 procent av ett lättare grundämne, och kisel är en av de bästa kandidaterna för detta lätta element både för jorden och extrasolära planeter."

Forskarna fann att vid extremt höga tryck, den lägre kisellegeringen organiserade sin kristallstruktur i en hexagonal tätpackad struktur, medan legeringen med högre kisel använde kroppscentrerad kubisk packning. Den atomiska skillnaden har enorma konsekvenser, sa Wicks, som nu är biträdande professor vid Johns Hopkins University.

"Kunskap om kristallstrukturen är den mest grundläggande informationen om materialet som utgör en planets inre, eftersom alla andra fysikaliska och kemiska egenskaper följer av kristallstrukturen, " Hon sa.

Wicks och hennes kollegor mätte också densiteten hos järn-kisellegeringarna över ett antal tryck. De fann att vid högsta tryck, Järn-kisellegeringarna når 17 till 18 gram per kubikcentimeter - ungefär 2,5 gånger så tät som på jordens yta, och jämförbar med densiteten av guld eller platina vid jordens yta. De jämförde också sina resultat med liknande studier gjorda på rent järn och upptäckte att kisellegeringarna är mindre täta än olegerat järn, även under extrem press.

"En ren järnkärna är inte realistisk, "sa Duffy, "eftersom processen för planetbildning oundvikligen kommer att leda till inkorporering av betydande mängder lättare element. Vår studie är den första som överväger dessa mer realistiska kärnkompositioner."

Forskarna beräknade densiteten och tryckfördelningen inuti superjordarna, med hänsyn till förekomsten av kisel i kärnan för första gången. De fann att inkorporering av kisel ökar den modellerade storleken på en planetkärna men minskar dess centrala tryck.

Framtida forskning kommer att undersöka hur andra ljuselement, såsom kol eller svavel, påverka strukturen och densiteten av järn vid ultrahögt tryck. Forskarna hoppas också kunna mäta andra viktiga fysikaliska egenskaper hos järnlegeringar, för att ytterligare begränsa modeller av exoplanets interiörer.

"För en geolog, upptäckten av så många extrasolära planeter har öppnat dörren till ett nytt fält av utforskning, "sa Duffy." Vi inser nu att de planetsorter som finns där ute går långt utöver de begränsade exemplen i vårt eget solsystem, och det finns ett mycket bredare tryckfält, temperatur och kompositionsutrymme som måste utforskas. Förstå den inre strukturen och sammansättningen av dessa stora, steniga kroppar är nödvändigt för att undersöka grundläggande frågor som den möjliga förekomsten av plattektonik, generering av magnetfält, deras termiska utveckling och även om de är potentiellt beboeliga. "