Usando rayos láser de alta potencia, los investigadores han simulado condiciones dentro de un planeta tres veces más grande que la Tierra.
Los científicos han identificado más de 2,000 de estas "súper-Tierras", exoplanetas que son más grandes que la Tierra pero más pequeños que Neptuno, el próximo planeta más grande de nuestro sistema solar. Al estudiar cómo las aleaciones de hierro y silicio responden a presiones extraordinarias, los científicosestán obteniendo nuevos conocimientos sobre la naturaleza de las súper-Tierras y sus núcleos.
"Ahora tenemos una técnica que nos permite acceder directamente a las presiones extremas de los interiores profundos de los exoplanetas y medir propiedades importantes", dijo Thomas Duffy, profesor de geociencias en Princeton. "Anteriormente, los científicos estaban restringidos a los cálculos teóricoso extrapolaciones largas de datos de baja presión. La capacidad de realizar experimentos directos nos permite probar resultados teóricos y proporciona un grado mucho mayor de confianza en nuestros modelos sobre cómo se comportan los materiales en estas condiciones extremas ".
El trabajo, que dio como resultado los datos de difracción de rayos X de mayor presión jamás registrados, fue dirigido por June Wicks cuando era investigadora asociada en Princeton, trabajando con Duffy y colegas en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y la Universidad de RochesterSus resultados fueron publicados hoy en la revista Avances científicos .
Debido a que las súper-Tierras no tienen análogos directos en nuestro propio sistema solar, los científicos están ansiosos por aprender más sobre sus posibles estructuras y composiciones, y de ese modo obtener información sobre los tipos de arquitecturas planetarias que pueden existir en nuestra galaxia. Pero se enfrentan a doslimitaciones clave: no tenemos mediciones directas de nuestro propio núcleo planetario desde el cual extrapolar, y las presiones interiores en las súper-Tierras pueden alcanzar más de 10 veces la presión en el centro de la Tierra, mucho más allá del rango de las técnicas experimentales convencionales.
Las presiones logradas en este estudio, hasta 1.314 gigapascales GPa, son aproximadamente tres veces más altas que los experimentos anteriores, lo que las hace más directamente útiles para modelar la estructura interior de exoplanetas grandes y rocosos, dijo Duffy.
"La mayoría de los experimentos de alta presión usan células de yunque de diamante que rara vez alcanzan más de 300 GPa", o 3 millones de veces la presión en la superficie de la Tierra, dijo. Las presiones en el núcleo de la Tierra alcanzan hasta 360 GPa.
"Nuestro enfoque es más nuevo, y muchas personas en la comunidad aún no están tan familiarizadas con él, pero hemos demostrado en este y en el pasado trabajo que podemos alcanzar de manera rutinaria presiones superiores a 1,000 GPa o más aunque solo por una fracciónde un segundo. Nuestra capacidad para combinar esta presión muy alta con la difracción de rayos X para obtener información estructural nos proporciona una herramienta novedosa para explorar los interiores planetarios ", dijo.
Los investigadores comprimieron dos muestras durante solo unas pocas billonésimas de segundo, el tiempo suficiente para sondear la estructura atómica utilizando un pulso de rayos X brillantes. El patrón de difracción resultante proporcionó información sobre la densidad y la estructura cristalina del hierro-silicioaleaciones, revelando que la estructura cristalina cambió con un mayor contenido de silicio.
"El método de difracción de rayos X y experimentos de choque simultáneos todavía está en pañales, por lo que es emocionante ver una 'aplicación en el mundo real' para el núcleo de la Tierra y más allá", dijo Kanani Lee, profesor asociado de geología ygeofísica en la Universidad de Yale que no participó en esta investigación.
Esta nueva técnica constituye una contribución "muy significativa" al campo de la investigación de exoplanetas, dijo Diana Valencia, pionera en el campo y profesora asistente de física en la Universidad de Toronto-Scarborough, que no participó en esta investigación."Este es un buen estudio porque no solo estamos extrapolando a bajas presiones y esperando lo mejor. Esto en realidad nos está dando lo 'mejor', dándonos esos datos y, por lo tanto, restringe nuestros modelos mejor".
Wicks y sus colegas dirigieron un rayo láser corto pero intenso sobre dos muestras de hierro: una aleada con 7 por ciento en peso de silicio, similar a la composición modelada del núcleo de la Tierra, y otra con 15 por ciento en peso de silicio, una composición que es posibleen núcleos exoplanetarios
El núcleo de un planeta ejerce control sobre su campo magnético, la evolución térmica y la relación radio-masa, dijo Duffy. "Sabemos que el núcleo de la Tierra es de aleación de hierro con aproximadamente el 10 por ciento de un elemento más ligero, y el silicio es uno de los mejores candidatospara este elemento de luz tanto para la Tierra como para los planetas extrasolares "
Los investigadores encontraron que a presiones ultra altas, la aleación de bajo contenido de silicio organizó su estructura de cristal en una estructura hexagonal compacta, mientras que la aleación de alto contenido de silicio utilizaba un embalaje cúbico centrado en el cuerpo. Esa diferencia atómica tiene enormes implicaciones, dijo Wicks,quien ahora es profesor asistente en la Universidad Johns Hopkins.
"El conocimiento de la estructura cristalina es la información más fundamental sobre el material que forma el interior de un planeta, ya que todas las demás propiedades físicas y químicas se derivan de la estructura cristalina", dijo.
Wicks y sus colegas también midieron la densidad de las aleaciones de hierro y silicio en un rango de presiones. Descubrieron que a las presiones más altas, las aleaciones de hierro y silicio alcanzan de 17 a 18 gramos por centímetro cúbico, aproximadamente 2.5 veces más densascomo en la superficie de la Tierra, y comparable a la densidad de oro o platino en la superficie de la Tierra. También compararon sus resultados con estudios similares realizados en hierro puro y descubrieron que las aleaciones de silicio son menos densas que el hierro sin alear, incluso bajo presiones extremas.
"Un núcleo de hierro puro no es realista", dijo Duffy, "ya que el proceso de formación planetaria conducirá inevitablemente a la incorporación de cantidades significativas de elementos más ligeros. Nuestro estudio es el primero en considerar estas composiciones de núcleo más realistas".
Los investigadores calcularon la densidad y la distribución de la presión dentro de las súper-Tierras, teniendo en cuenta la presencia de silicio en el núcleo por primera vez. Descubrieron que incorporar silicio aumenta el tamaño modelado de un núcleo planetario pero reduce su presión central.
La investigación futura investigará cómo otros elementos ligeros, como el carbono o el azufre, afectan la estructura y la densidad del hierro en condiciones de presión ultra alta. Los investigadores también esperan medir otras propiedades físicas clave de las aleaciones de hierro, para restringir aún más los modelos de exoplanetas 'interiores.
"Para un geólogo, el descubrimiento de tantos planetas extrasolares ha abierto la puerta a un nuevo campo de exploración", dijo Duffy. "Ahora nos damos cuenta de que las variedades de planetas que existen van mucho más allá de los ejemplos limitados en nuestropropio sistema solar, y hay un campo mucho más amplio de presión, temperatura y espacio de composición que debe explorarse. Comprender la estructura interior y la composición de estos cuerpos grandes y rocosos es necesario para investigar cuestiones fundamentales como la posible existencia de tectónica de placas,generación de campo magnético, su evolución térmica e incluso si son potencialmente habitables ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :