Напредъкът в астрономическите наблюдения доведе до откриването на необикновен брой  планети извън Слънчевата система, за някои от които се смята, че имат скалист състав, подобно на Земята. Научаването на повече за тяхната вътрешна структура може да даде важни улики за тяхното потенциално обитаване.

Воден от Националната лаборатория Лорънс Ливърмор (LLNL), екип от изследователи има за цел да разкрие някои от техните тайни, като разбере свойствата на железния оксид - една от съставките на земната мантия, при екстремните налягания и температури, които вероятно се срещат във вътрешността на тези големи скалисти екзопланети. Резултатите от техните експерименти бяха публикувани днес в Nature Geoscience.

"Поради ограниченото количество налични данни, повечето модели на вътрешната структура за скалисти екзопланети приемат умалена версия на Земята, състояща се от желязно ядро, заобиколено от мантия, доминирана от силикати и оксиди. Този подход обаче до голяма степен пренебрегва различните свойства, които съставните материали могат да имат при налягания, надвишаващи съществуващите в Земята", казва Федерика Копари, физик от LLNL и водещ автор на изследването. "С непрекъснато нарастващия брой потвърдени екзопланети, включително онези, за които се смята, че са скалисти, е от решаващо значение да се придобие по-добро разбиране за това как градивните блокове се държат дълбоко в такива тела."

Използвайки гигантски лазери в лазерния център на университета в Рочестър, изследователите поставят проба от железен оксид под налядане близо 7 мегабара - 7 милиона пъти по-голямо от атмосферното налягане на Земята. Такива са очакваните условия във вътрешността на скалистите екзопланети приблизително пет пъти по-масивни от Земята. Чрез лазери върху малко метално фолио изследователите създават кратък импулс от рентгенови лъчи, достатъчно ярък, за да им позволят да заснемат рентгенова дифракционна снимка на компресираната проба.

"Точното синхронизиране е критично, тъй като състоянието на пиково налягане се поддържа за не повече от 1 милиардна част от секундата", казва Копари. Рентгеновата дифракция е уникално подходяща за измерване на разстоянието между атомите и начина, по който те са подредени в кристална решетка. Екипът установява, че когато железният оксид се компресира до налягания над 3 Mbar - налягането на вътрешното ядро ​​на Земята, той преминава в различна фаза, където атомите са по-плътно разположени.

"Намирането на структурата на железен оксид под високо налягане при условия, надвишаващи съществуващите в Земята, е много интересно, тъй като се очаква тази форма да има много по-нисък вискозитет от кристалната структура, на повърхността и в мантията на Земята", казва Копари.

Комбинирайки новите данни с предишни измервания на магнезиев оксид, друга ключова съставка на скалистите планети, екипът изгражда модел, за да разбере как фазовият преход в железния оксид може да повлияе на способността им да се смесват. Те откриват, че мантията на големи земни екзопланети може да бъде много различна от това, което обикновено се предвижда, като вероятно има много различен вискозитет, електрическа проводимост и реологични свойства.

"Очакваните по-екстремни условия в големите скалисти суперземи благоприятстват появата на нова и сложна минералогия, при която съставните материали се смесват, текат и се деформират по съвсем различен начин, отколкото в мантията на Земята", казва Копари. "Смесването не само играе роля в формирането и еволюцията на планетата, но също така драстично влияе върху реологията и проводимостта, които в крайна сметка са свързани с нейната обитаемост."

В бъдеще се очаква това изследване да стимулира допълнителни експериментални и теоретични изследвания, насочени към разбиране на свойствата на смесване на съставните материали при безпрецедентно налягане и температури.

„Има още толкова много да се научи за материали при екстремни условия и още повече за формирането и еволюцията на планетите“, каза тя. "Изумително е да мислим, че нашите лабораторни експерименти могат да надникнат във вътрешната структура на толкова отдалечени планети с безпрецедентна резолюция и да допринесат за по-дълбокото разбиране на Вселената."

F. Coppari et al. Implications of the iron oxide phase transition on the interiors of rocky exoplanets, Nature Geoscience (2021). DOI: 10.1038/s41561-020-00684-y