מדענים חושפים את אבן הבניין הראשונה בתצורת סופר-אדמה

מחקר חדש חושף כי תחמוצת מגנזיום, מינרל מפתח ביצירת כוכבי לכת, עשוי להיות הראשון להתמצק בפיתוח כוכבי לכת "על-כדור הארץ", כאשר התנהגותו בתנאים קיצוניים משפיעה באופן משמעותי על התפתחות כוכבי הלכת.

מדענים צפו לראשונה כיצד אטומים בתחמוצת מגנזיום מתעצבים ונמסים בתנאים קשים במיוחד, ומספקים תובנות חדשות לגבי מינרל מפתח זה בתוך מעטפת כדור הארץ, הידוע כמשפיע על היווצרות כוכבי לכת.

ניסויי לייזר באנרגיה גבוהה – אשר הכפיפו גבישים זעירים של המינרל לסוג החום והלחץ שנמצאו עמוק בתוך מעטפת כוכב לכת סלעית – מצביעים על כך שהתרכובת יכולה להיות המינרל הקדום ביותר שהתגבש מתוך אוקיינוסים מאגמה ביצירת כוכבי לכת "על-כדור הארץ" .

"תחמוצת מגנזיום עשויה להיות המוצק החשוב ביותר השולט בתרמודינמיקה של כדור הארץ הצעיר", אמר ג'ון וויקס, עוזר פרופסור למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת באוניברסיטת ג'ונס הופקינס שהוביל את המחקר. "אם יש לו טמפרטורת התכה מאוד גבוהה זו, זה יהיה המוצק הראשון שמתגבש כאשר כוכב לכת חם וסלעי מתחיל להתקרר והפנים שלו נפרד לליבה ולמעטה."

השלכות על כוכבי לכת צעירים

הממצאים פורסמו לאחרונה ב התקדמות המדע.

הם מציעים שלאופן שבו תחמוצת מגנזיום עוברת מצורה אחת לאחרת יכולה להיות השלכות חשובות על הגורמים השולטים אם כוכב לכת צעיר יהיה כדור שלג או סלע מותך, יפתח אוקיינוסים או אטמוספרות מים, או בעל תערובת של תכונות אלו.

"בכדורי-על ארציים, שבהם החומר הזה הולך להיות מרכיב גדול במעטפת, הטרנספורמציה שלו תתרום משמעותית למהירות תנועת החום בפנים, מה שעומד לשלוט כיצד הפנים ושאר החלקים כוכב לכת נוצר ומתעוות לאורך זמן", אמר ויקס. "אנחנו יכולים לחשוב על זה כעל פרוקסי לפנים של כוכבי הלכת האלה, כי זה יהיה החומר ששולט על העיוות שלו, אחד מאבני הבניין החשובות ביותר של כוכבי לכת סלעיים."

גדול יותר מכדור הארץ אבל קטן ממה שענקים אוהבים נפטון אוֹ אוּרָנוּסכדור הארץ העל הם מטרות מפתח ב אקסופלנט חיפושים מכיוון שהם נמצאים בדרך כלל בין מערכות שמש אחרות בגלקסיה. בעוד שהרכבם של כוכבי לכת אלה יכול להשתנות מגז לקרח או למים, כדור הארץ הסלעי צפוי להכיל כמויות משמעותיות של תחמוצת מגנזיום שיכולה להשפיע על השדה המגנטי של כוכב הלכת, הגעש וגיאופיזיקה מרכזית אחרת כמו שהם עושים על כדור הארץ, אמר וויקס. .

כדי לחקות את התנאים הקיצוניים שהמינרל הזה עשוי לקיים במהלך היווצרות כוכב לכת, הצוות של וויק העביר דגימות קטנות ללחצים גבוהים במיוחד באמצעות מתקן הלייזר Omega-EP במעבדה לאנרגטיקה לייזר של אוניברסיטת רוצ'סטר. המדענים גם צילמו צילומי רנטגן ותיעדו כיצד קרני האור הללו קופצות מהגבישים כדי לעקוב אחר האופן שבו האטומים שלהם התארגנו מחדש בתגובה ללחץ הגובר, תוך ציון ספציפי באיזו נקודה הם הפכו ממוצק לנוזל.

כאשר הם סוחטים חזק במיוחד, האטומים של חומרים כמו תחמוצת מגנזיום משנים את הסידור שלהם כדי לשמור על לחצי הריסוק. זו הסיבה שהמינרל עובר מ"פאזה" של מלח סלע הדומה למלח שולחן לתצורה שונה כמו זו של מלח אחר הנקרא צזיום כלוריד ככל שהלחץ עולה. זה גורם לטרנספורמציה שיכולה להשפיע על צמיגות המינרל והשפעתו על כוכב הלכת ככל שהוא מתבגר, אמר ויקס.

יציבות מגנזיום אוקסיד בלחץ גבוה

תוצאות הצוות מראות כי תחמוצת מגנזיום יכולה להתקיים בשני השלבים שלה בלחצים הנעים בין 430 ל-500 ג'יגה-פסקל וטמפרטורות של כ-9,700 קלווין, חם כמעט פי שניים משטח השמש. הניסויים מראים גם שהלחצים הגבוהים ביותר שהמינרל יכול לעמוד בו לפני ההמסה המלאה הם למעלה מ-600 ג'יגה-פסקל, בערך פי 600 מהלחץ שאפשר להרגיש בתעלות העמוקות ביותר של האוקיינוס.

"תחמוצת מגנזיום נמסה בטמפרטורה גבוהה בהרבה מכל חומר או מינרל אחר. יהלומים הם אולי החומרים הקשים ביותר, אבל זה מה שיימס לאורך זמן", אמר ויקס. "כשזה מגיע לחומרים קיצוניים בכוכבי לכת צעירים, תחמוצת מגנזיום צפויה להיות מוצקה, בעוד שכל השאר שיסתובב שם למטה במעטפת יהפוך לנוזל."

המחקר מציג את היציבות והפשטות של תחמוצת מגנזיום תחת לחצים קיצוניים ויכול לעזור למדענים לפתח מודלים תיאורטיים מדויקים יותר כדי לחקור שאלות מפתח לגבי ההתנהגות של מינרלים זה ושל מינרלים אחרים בעולמות סלעיים כמו כדור הארץ, אמר וויקס.

"המחקר הוא מכתב אהבה לתחמוצת מגנזיום, כי זה מדהים שיש לו את נקודת ההתכה של הטמפרטורה הגבוהה ביותר שאנו מכירים – בלחצים מעבר למרכז כדור הארץ – והוא עדיין מתנהג כמו מלח רגיל", אמר ויקס. "זה פשוט מלח פשוט ויפה, אפילו בלחצים ובטמפרטורות השיא האלה."

מחברים נוספים הם Saransh Singh, Marius Millot, דיין E. Fratanduono, Federica Coppari, Martin G. Gorman, Jon H. Eggert, ו-Raymond F. Smith מהמעבדה הלאומית לורנס ליברמור; Zixuan Ye ו- Anirudh Hari מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס; ג'יי ריאן ריג מאוניברסיטת רוצ'סטר; ותומס ס. דאפי מ אוניברסיטת פרינסטון.

מחקר זה נתמך על ידי NNSA באמצעות התוכנית הלאומית למשתמשי לייזר תחת חוזה מס' DE-NA0002154 ו-DE-NA0002720 ותוכנית המחקר והפיתוח מכוונת מעבדה ב-LLNL (פרויקט מס' 15-ERD-012). עבודה זו בוצעה בחסות משרד האנרגיה האמריקאי על ידי Lawrence Livermore National Laboratory תחת חוזה מס' DE-AC52-07NA27344. המחקר נתמך על ידי המינהל הלאומי לביטחון גרעיני באמצעות התוכנית הלאומית למשתמשי לייזר (חוזה מס' DE-NA0002154 ו-DE-NA0002720) ותוכנית מחקר ופיתוח מכוון מעבדה ב-LLNL (פרויקט מס' 15-ERD-014, 17 -ERD-014, ו-20-ERD-044).