In un articolo pubblicato oggi da Astronomia della natura , un team di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Università di Princeton, La Johns Hopkins University e l'Università di Rochester hanno fornito la prima relazione massa-raggio basata sperimentalmente per un ipotetico pianeta di ferro puro in condizioni di super-nucleo terrestre.

Questa scoperta può essere utilizzata per valutare lo spazio compositivo plausibile per grandi, esopianeti rocciosi, alla base dei futuri modelli planetari interni, che a sua volta può essere utilizzato per interpretare in modo più accurato i dati di osservazione della missione spaziale Kepler e aiutare a identificare i pianeti adatti all'abitabilità.

"La scoperta di un gran numero di pianeti al di fuori del nostro sistema solare è stata una delle scoperte scientifiche più emozionanti di questa generazione, " ha detto Ray Smith, un fisico presso LLNL e autore principale della ricerca. "Queste scoperte sollevano domande fondamentali. Quali sono i diversi tipi di pianeti extrasolari e come si formano ed evolvono? Quale di questi oggetti può potenzialmente sostenere condizioni di superficie adatte alla vita? Per rispondere a tali domande, è necessario comprendere la composizione e la struttura interna di questi oggetti."

Degli oltre 4, 000 pianeti extrasolari confermati e candidati, quelli che sono da una a quattro volte il raggio della Terra sono ora noti per essere i più abbondanti. Questa gamma di dimensioni, che si estende tra la Terra e Nettuno, non è rappresentato nel nostro sistema solare, indicando che i pianeti si formano in una gamma di condizioni fisiche più ampia di quanto si pensasse in precedenza.

"Determinare la struttura interna e la composizione di questi pianeti della super-Terra è impegnativo ma è cruciale per comprendere la diversità e l'evoluzione dei sistemi planetari all'interno della nostra galassia, " ha detto Smith.

Poiché le pressioni al centro anche per un pianeta di massa 5 × Terra possono raggiungere fino a 2 milioni di atmosfere, un requisito fondamentale per vincolare la composizione esoplanetaria e la struttura interna è un'accurata determinazione delle proprietà del materiale a pressioni estreme. Il ferro (Fe) è un elemento cosmochimicamente abbondante e, come il costituente dominante dei nuclei planetari terrestri, è un materiale chiave per studiare gli interni della super-Terra. Una comprensione dettagliata delle proprietà del ferro in condizioni della super-Terra è una componente essenziale degli esperimenti del team.

I ricercatori descrivono una nuova generazione di esperimenti laser ad alta potenza, che utilizzano tecniche di compressione a rampa per fornire la prima equazione assoluta delle misurazioni di stato del Fe alle condizioni estreme di pressione e densità che si trovano all'interno dei nuclei della super-Terra. Tale compressione dinamica senza urti è particolarmente adatta per comprimere la materia con un riscaldamento minimo a pressioni TPa (1 TPa =10 milioni di atmosfere).

Gli esperimenti sono stati condotti presso il National Ignition Facility (NIF) del LLNL. NIF, il laser più grande ed energico del mondo, può fornire fino a 2 megajoule di energia laser in 30 nanosecondi e fornisce la potenza laser e il controllo necessari per comprimere i materiali a pressioni TPa. Gli esperimenti del team hanno raggiunto pressioni di picco di 1,4 TPa, pressione quattro volte superiore rispetto ai precedenti risultati statici, che rappresentano le condizioni centrali trovate con un pianeta di massa 3-4x la Terra.

"Modelli planetari interni, che si basano su una descrizione dei materiali costituenti sottoposti a pressioni estreme, sono comunemente basati su estrapolazioni di dati a bassa pressione e producono un'ampia gamma di stati materiali previsti. I nostri dati sperimentali forniscono una base più solida per stabilire le proprietà di un pianeta super-Terra con un pianeta di ferro puro, "Smith ha detto. "Inoltre, il nostro studio dimostra la capacità di determinare le equazioni di stato e altre proprietà termodinamiche chiave dei materiali del nucleo planetario a pressioni ben oltre quelle delle tecniche statiche convenzionali. Tali informazioni sono cruciali per far progredire la nostra comprensione della struttura e della dinamica dei grandi esopianeti rocciosi e della loro evoluzione".

Futuri esperimenti su NIF estenderanno lo studio dei materiali planetari a diversi TPa combinando tecniche di diffrazione dei raggi X in nanosecondi per determinare l'evoluzione della struttura cristallina con la pressione.