Die Studie beschreibt eine neue Generation von Hochleistungslaserexperimenten, die die erste absolute Zustandsgleichung für Eisen unter extremen Druck- und Dichtebedingungen liefern.
Eine Gruppe von Forschern des Livermore National Laboratory. Lawrence (LLNL), die Princeton University, die Johns Hopkins University und die University of Rochester (USA) haben erstmals experimentell die Massenradiusabhängigkeit eines hypothetischen Metallplaneten mit den Eigenschaften eines Super-Earth-Kerns bestimmt. Die Arbeit von Wissenschaftlern wird in der Zeitschrift Nature Astronomy vorgestellt.
„Die Entdeckung einer großen Anzahl von Planeten außerhalb des Sonnensystems war eine der aufregendsten wissenschaftlichen Entdeckungen dieser Generation. Diese Studien werfen grundlegende Fragen auf. Was sind die verschiedenen Arten von extrasolaren Planeten und wie bilden und entwickeln sie sich? Welches dieser Objekte kann an der Oberfläche akzeptable Lebensbedingungen aufrechterhalten? Um diese Probleme anzugehen, müssen Sie die Zusammensetzung und interne Struktur dieser Objekte verstehen “, sagt Ray Smith, Physiker am LLNL und Hauptautor der Studie.
Die Ergebnisse können verwendet werden, um die Zusammensetzung großer felsiger Exoplaneten abzuschätzen, die die Grundlage für zukünftige Modelle planetarischer Tiefen bilden. Diese können wiederum verwendet werden, um Beobachtungsdaten der Kepler-Weltraummission genauer zu interpretieren und bewohnbare Planeten zu bestimmen.
Es ist bekannt, dass von mehr als 4.000 Exoplaneten und Kandidaten für diese Rolle die häufigsten den Radius der Erde um das 1-4-fache überschreiten. Solche extrasolaren Welten sind in unserem System nicht vertreten. Dies weist darauf hin, dass sich Planeten in einem größeren Bereich physikalischer Bedingungen bilden als bisher angenommen. Die Bestimmung der inneren Struktur und Zusammensetzung von Supererden ist eine Herausforderung, aber entscheidend für das Verständnis der Vielfalt und Entwicklung von Planetensystemen in unserer Galaxie.
Da der Druck im Kern eines Exoplaneten, der fünfmal so groß ist wie die Masse der Erde, zwei Millionen Atmosphären erreichen kann, besteht eine grundlegende Anforderung zur Begrenzung der Zusammensetzung eines Exoplaneten und seiner inneren Struktur darin, die Eigenschaften des Materials unter extremem Druck genau zu bestimmen. Eisen ist der dominierende Bestandteil der Planetenkerne erdähnlicher Planeten. Ein detailliertes Verständnis der Eigenschaften von Eisen unter Supererdebedingungen wurde zu einer großen Herausforderung bei der Forschung von Ray Smiths Team.
Wissenschaftler haben eine neue Generation leistungsfähiger Laserexperimente beschrieben, die die erste absolute Zustandsgleichung für Eisen unter extremem Druck und extremer Dichte im Kern der Supererde liefern. Das Verfahren eignet sich zum Komprimieren von Materie mit minimaler Erwärmung auf einen Druck von 1 Terapascal (1 TPa = 10 Millionen Atmosphären).
Nachbildung des Kerns der Supererde in der NIF-Kamera aus Sicht des Künstlers. Bildnachweis: Mark Meamber (NIF).
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Die Experimente wurden am LLNL National Ignition Complex (NIF) durchgeführt. Der NIF, der weltweit größte und leistungsstärkste Laser, kann in 30 Nanosekunden bis zu 2 Megajoule Laserenergie liefern und die erforderliche Laserleistung und Kontrolle der Materialkompression bis zu TPa-Drücken liefern. Die Experimente des Teams erreichten einen Spitzendruck von 1,4 TPa, das Vierfache des Drucks der vorherigen statischen Ergebnisse, die die Grundbedingungen einer Supererde mit dem 3-4-fachen der Erdmasse beschrieben.
„Interne Planetengeräte-Modelle, die auf der Beschreibung von Verbundwerkstoffen bei extremen Drücken basieren, extrapolieren normalerweise Niederdruckdaten und erzeugen eine breite Palette möglicher Materialzustände. Unsere experimentellen Daten bieten eine solide Grundlage für die Bestimmung der Eigenschaften einer Supererde und eines hypothetischen Metallplaneten. Darüber hinaus zeigt die Studie die Fähigkeit, Zustandsgleichungen und andere wichtige thermodynamische Eigenschaften von Planetenkernmaterialien bei Drücken zu bestimmen, die weit über herkömmlichen statischen Methoden liegen. Solche Informationen sind entscheidend, um die Struktur großer felsiger Exoplaneten und ihre Entwicklung zu verstehen “, sagt Ray Smith.
Zukünftige NIF-Experimente werden die Untersuchung von Materialien unter verschiedenen TPa-Drücken erweitern, indem Nanosekunden-Röntgenbeugungstechniken kombiniert werden, um die Entwicklung der Kristallstruktur als Funktion des Drucks zu bestimmen.
Arina Vasilieva
