Lo studio descrive una nuova generazione di esperimenti laser ad alta potenza che forniscono la prima equazione di stato assoluta per il ferro in condizioni di pressione e densità estreme.
Un gruppo di ricercatori del Livermore National Laboratory. Lawrence (LLNL), la Princeton University, la Johns Hopkins University e l'Università di Rochester (USA) per la prima volta hanno determinato sperimentalmente la dipendenza del raggio di massa di un ipotetico pianeta metallico con le proprietà di un nucleo super-terrestre. Il lavoro degli scienziati è presentato sulla rivista Nature Astronomy.
“La scoperta di un gran numero di pianeti al di fuori del sistema solare è stata una delle scoperte scientifiche più entusiasmanti di questa generazione. Questi studi sollevano domande fondamentali. Quali sono i diversi tipi di pianeti extrasolari e come si formano ed evolvono? Quale di questi oggetti può mantenere condizioni di vita accettabili in superficie? Per affrontare questi problemi, è necessario comprendere la composizione e la struttura interna di questi oggetti , afferma Ray Smith, fisico presso LLNL e autore principale dello studio.
I risultati possono essere utilizzati per stimare la composizione di grandi esopianeti rocciosi, che costituiscono la base per futuri modelli di profondità planetarie, che, a loro volta, possono essere utilizzati per interpretare in modo più accurato i dati osservativi della missione spaziale Kepler e aiutare a determinare i pianeti abitabili.
È noto che tra più di 4.000 esopianeti e candidati a questo ruolo, i più comuni sono quelli che superano il raggio della Terra di 1-4 volte. Tali mondi extrasolari non sono rappresentati nel nostro sistema. Ciò indica che i pianeti si stanno formando in una gamma più ampia di condizioni fisiche di quanto si pensasse in precedenza. Determinare la struttura interna e la composizione delle super-Terre è impegnativo, ma fondamentale per comprendere la diversità e l'evoluzione dei sistemi planetari nella nostra galassia.
Poiché la pressione nel nucleo di un esopianeta 5 volte la massa della Terra può raggiungere i due milioni di atmosfere, un requisito fondamentale per limitare la composizione di un esopianeta e la sua struttura interna è determinare con precisione le proprietà del materiale sotto pressione estrema. Il ferro è la componente dominante dei nuclei planetari dei pianeti simili alla terra. Una comprensione dettagliata delle proprietà del ferro nelle condizioni della super-terra è diventata una sfida importante nella ricerca del team di Ray Smith.
Gli scienziati hanno descritto una nuova generazione di potenti esperimenti laser che forniscono la prima equazione di stato assoluta per il ferro sotto pressione e densità estreme nel nucleo della super-Terra. Il metodo è adatto per comprimere la materia con un riscaldamento minimo fino a una pressione di 1 terapascal (1 TPa = 10 milioni di atmosfere).
Ricreazione del nucleo della super-terra nella fotocamera NIF vista dall'artista. Credito: Mark Meamber (NIF).
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Gli esperimenti sono stati condotti presso il LLNL National Ignition Complex (NIF). Il NIF, il laser più grande e potente al mondo, può erogare fino a 2 megajoule di energia laser in 30 nanosecondi e fornire la potenza laser richiesta e il controllo della compressione del materiale fino a pressioni TPa. Gli esperimenti del team hanno raggiunto una pressione di picco di 1,4 TPa, quattro volte la pressione dei precedenti risultati statici, che descrivevano le condizioni di base di una super-terra 3-4 volte la massa della Terra.
“I modelli di dispositivi planetari interni basati sulla descrizione di materiali compositi a pressioni estreme tipicamente estrapolano dati di bassa pressione e creano un'ampia gamma di possibili stati dei materiali. I nostri dati sperimentali forniscono una solida base per determinare le proprietà di una super-Terra e di un ipotetico pianeta metallico. Inoltre, lo studio dimostra la capacità di determinare le equazioni di stato e altre proprietà termodinamiche chiave dei materiali del nucleo planetario a pressioni ben al di sopra dei metodi statici convenzionali. Tali informazioni sono fondamentali per acquisire una comprensione della struttura dei grandi esopianeti rocciosi e della loro evoluzione , afferma Ray Smith.
Futuri esperimenti NIF amplieranno lo studio dei materiali sotto diverse pressioni TPa combinando tecniche di diffrazione di raggi X in nanosecondi per determinare l'evoluzione della struttura cristallina in funzione della pressione.
Arina Vasilieva
