Цікавості

Лабораторні експерименти з магнієвим оксидом (МgО), одним із ключових «цеглинок» кам’янистих планет, показали, що те, як саме стискають мінерал, суттєво впливає на його поведінку під екстремальними тисками й температурами. Робота команди з Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса та Університету Джонса Гопкінса, про яку розповідає Unіvеrsе Тоdаy, ставить під сумнів давні уявлення про фізику мінералів у надрах планет.Вивчення внутрішньої будови планет необхідне, щоб зрозуміти їхнє формування, еволюцію та потенційну придатність до життя. Для цього науковці поєднують дані про Землю, комп’ютерне моделювання, аналіз метеоритів і спостереження за іншими тілами Сонячної системи. Відомо, що магній і кремній — одні з найпоширеніших елементів у планетарних надрах, а під високим тиском вони утворюють кристали МgО.

Як відтворили надра планет у лабораторії

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Рhysісаl Rеvіеw Х, команда продовжила серію робіт 2015 та 2024 років, зосередившись на тому, як саме формується й поводиться магнієвий оксид глибоко всередині планет. Для цього вчені використовували потужні лазери, щоб стискати кристал МgО кубічної форми й відтворювати умови, подібні до тих, що панують у мантіях і ядрах планет.Під час експериментів тиск досягав 572 гігапаскалів (ГПа), а температура — близько 13 000 К (приблизно 12 927 °С). Це значно перевищує умови поблизу земного ядра, де оцінюють близько 360 ГПа та 6 000 К. Таким чином дослідники змогли змоделювати не лише надра Землі, а й ще екстремальніші середовища, характерні для масивних екзопланет.Ключовою особливістю роботи стало те, що лазер спрямовували на куб МgО з різних напрямків. Довгий час вважалося, що за таких екстремальних тисків і температур орієнтація стискання не має значення — матеріал мав би реагувати однаково. Команда перевірила це, стискаючи кристал:

по діагоналі вздовж грані;перпендикулярно до однієї з граней куба;по діагоналі крізь увесь куб.

Напрямок стискання змінює поведінку кристалів

Результати виявилися несподіваними. Вчені зафіксували, що напрямок, з якого приходить ударна хвиля від лазера, змінює те, як саме стискається й перебудовується кристалічна решітка МgО. При стисканні по діагоналі крізь куб кристал трансформувався одним чином, тоді як два інші напрямки давали іншу картину — з безладним, нерівномірним ростом кристалів позаду ударної хвилі.Таким чином, експеримент спростував давню гіпотезу, що за надвисоких тисків і температур напрямок стискання не відіграє ролі. Виявилося, що анізотропія — залежність властивостей від напрямку — зберігається навіть у таких екстремальних умовах.Крім того, дослідники встановили, що при тиску 572 ГПа і температурі 13 000 К магнієвий оксид плавиться. Це стало новим експериментальним рекордом для відомих матеріалів за поєднанням тиску й температури.«Магнієвий оксид — важливий інгредієнт у нашому розумінні планетарних надр. Ці експерименти допомагають визначити, де він може залишатися твердим, а де переходить у рідкий стан, що важливо для того, як планети переносять тепло й еволюціонують», — пояснює співавторка роботи, геофізикиня Джун Вікс (Junе Wісks) з Університету Джонса Гопкінса.

Що це означає для Землі, суперземель і газових гігантів

У кам’янистих планет, зокрема Землі, основні шари — це кора, мантія та ядро. У нашої планети зовнішнє ядро рідке, а внутрішнє — тверде, тоді як МgО формується переважно в нижній частині мантії, поблизу межі ядра й мантії. Саме там тиск і температура досягають значень, за яких поведінка магнієвого оксиду визначає, як тепло переноситься з глибини до поверхні.На масивніших кам’янистих екзопланетах типу суперземель МgО, за розрахунками, може переходити в електропровідну рідину вже в мантії, тоді як у Землі подібна провідність характерна для зовнішнього ядра. Це може означати, що магнітні поля суперземель набагато сильніші за земне, оскільки електропровідні шари, що рухаються, є джерелом планетарних магнітних динамо.У газових гігантів на кшталт Юпітера й Сатурна МgО може існувати як у твердому, так і в рідкому стані глибоко в ядрах, залежно від локальних температур і тисків. Нові дані про межу плавлення й поведінку кристалів допомагають точніше моделювати структуру їхніх надр і розподіл тепла.Оскільки магній і кремній є найпоширенішими елементами в надрах планет, уточнення властивостей МgО під екстремальними умовами напряму впливає на моделі формування, еволюції та теплового режиму як землеподібних світів, так і гігантських планет.Автори роботи очікують, що подальші експерименти й моделювання дозволять краще описати процеси в глибинах різних планетних типів. Це, своєю чергою, допоможе інтерпретувати спостереження за екзопланетами та зрозуміти, які з них можуть бути стабільними, активними й потенційно придатними для життя.Стаття Стискання мінералів у надрах планет виявилося напрямкозалежним з'явилася спочатку на Цікавості.