Utilizzando raggi laser ad alta potenza, i ricercatori hanno simulato le condizioni all'interno di un pianeta tre volte più grande della Terra.

Gli scienziati hanno identificato più di 2, 000 di queste "super-Terre, " pianeti extrasolari più grandi della Terra ma più piccoli di Nettuno, il prossimo pianeta più grande del nostro sistema solare. Studiando come le leghe di ferro e silicio rispondono a pressioni straordinarie, gli scienziati stanno acquisendo nuove intuizioni sulla natura delle super-Terre e dei loro nuclei.

"Ora abbiamo una tecnica che ci consente di accedere direttamente alle pressioni estreme degli interni profondi degli esopianeti e misurare proprietà importanti, "ha detto Thomas Duffy, professore di geoscienze a Princeton. "In precedenza, gli scienziati erano limitati a calcoli teorici o a lunghe estrapolazioni di dati a bassa pressione. La capacità di eseguire esperimenti diretti ci consente di testare i risultati teorici e fornisce un grado molto più elevato di fiducia nei nostri modelli su come i materiali si comportano in queste condizioni estreme".

Il lavoro, che ha portato ai dati di diffrazione dei raggi X a più alta pressione mai registrati, è stata guidata da June Wicks quando era ricercatrice associata a Princeton, lavorando con Duffy e colleghi del Lawrence Livermore National Laboratory e dell'Università di Rochester. I loro risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista Progressi scientifici .

Poiché le super-Terre non hanno analoghi diretti nel nostro sistema solare, gli scienziati sono desiderosi di saperne di più sulle loro possibili strutture e composizioni, e quindi acquisire informazioni sui tipi di architetture planetarie che possono esistere nella nostra galassia. Ma affrontano due limiti chiave:non abbiamo misurazioni dirette del nostro nucleo planetario da cui estrapolare, e le pressioni interne nelle super-Terre possono raggiungere più di 10 volte la pressione al centro della Terra, ben oltre la gamma delle tecniche sperimentali convenzionali.

Le pressioni raggiunte in questo studio, fino a 1, 314 gigapascal (GPa):sono circa tre volte più alti degli esperimenti precedenti, rendendoli più direttamente utili per modellare la struttura interna di grandi, esopianeti rocciosi, disse Duff.

"La maggior parte degli esperimenti ad alta pressione utilizza celle a incudine diamantate che raramente raggiungono più di 300 GPa, " o 3 milioni di volte la pressione sulla superficie della Terra, Egli ha detto. Le pressioni nel nucleo terrestre raggiungono i 360 GPa.

"Il nostro approccio è più recente, e molte persone nella comunità non lo conoscono ancora, ma abbiamo dimostrato in questo (e in passato) lavoro che possiamo raggiungere abitualmente pressioni superiori a 1, 000 GPa o più (anche se solo per una frazione di secondo). La nostra capacità di combinare questa pressione molto elevata con la diffrazione dei raggi X per ottenere informazioni strutturali ci fornisce un nuovo strumento per esplorare gli interni dei pianeti, " Egli ha detto.

I ricercatori hanno compresso due campioni solo per pochi miliardesimi di secondo, giusto il tempo necessario per sondare la struttura atomica usando un impulso di raggi X luminosi. Il modello di diffrazione risultante ha fornito informazioni sulla densità e sulla struttura cristallina delle leghe ferro-silicio, rivelando che la struttura cristallina è cambiata con un maggiore contenuto di silicio.

"Il metodo della diffrazione simultanea dei raggi X e degli esperimenti di shock è ancora agli inizi, quindi è emozionante vedere una "applicazione del mondo reale" per il nucleo della Terra e oltre, " ha detto Kanani Lee, un professore associato di geologia e geofisica alla Yale University che non era coinvolto in questa ricerca.

Questa nuova tecnica costituisce un contributo "molto significativo" nel campo della ricerca sugli esopianeti, disse Diana Valencia, un pioniere nel campo e un assistente professore di fisica presso l'Università di Toronto-Scarborough, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "Questo è un buon studio perché non stiamo solo estrapolando da basse pressioni e sperando per il meglio. Questo ci sta effettivamente dando quel "meglio, ' fornendoci quei dati, e quindi limita meglio i nostri modelli."

Wicks e i suoi colleghi hanno diretto un raggio laser breve ma intenso su due campioni di ferro:uno legato al 7% in peso di silicio, simile alla composizione modellata del nucleo terrestre, e un altro con il 15% in peso di silicio, una composizione che è possibile nei nuclei esoplanetari.

Il nucleo di un pianeta esercita il controllo sul suo campo magnetico, evoluzione termica e relazione massa-raggio, disse Duff. "Sappiamo che il nucleo della Terra è legato al ferro con circa il 10% di un elemento più leggero, e il silicio è uno dei migliori candidati per questo elemento leggero sia per la Terra che per i pianeti extrasolari".

I ricercatori hanno scoperto che a pressioni ultraelevate, la lega di silicio inferiore ha organizzato la sua struttura cristallina in una struttura esagonale compatta, mentre la lega a più alto tenore di silicio utilizzava un imballaggio cubico a corpo centrato. Quella differenza atomica ha enormi implicazioni, disse Wicks, che ora è assistente professore alla Johns Hopkins University.

"La conoscenza della struttura cristallina è l'informazione più fondamentale sul materiale che costituisce l'interno di un pianeta, poiché tutte le altre proprietà fisiche e chimiche derivano dalla struttura cristallina, " lei disse.

Wicks e i suoi colleghi hanno anche misurato la densità delle leghe ferro-silicio su una gamma di pressioni. Hanno scoperto che alle pressioni più elevate, le leghe ferro-silicio raggiungono da 17 a 18 grammi per centimetro cubo, circa 2,5 volte più dense di quelle sulla superficie terrestre, e paragonabile alla densità dell'oro o del platino sulla superficie terrestre. Hanno anche confrontato i loro risultati con studi simili condotti sul ferro puro e hanno scoperto che le leghe di silicio sono meno dense del ferro non legato, anche sotto pressioni estreme.

"Un nucleo di ferro puro non è realistico, "disse Duff, "poiché il processo di formazione planetaria porterà inevitabilmente all'incorporazione di quantità significative di elementi più leggeri. Il nostro studio è il primo a considerare queste composizioni del nucleo più realistiche".

I ricercatori hanno calcolato la densità e la distribuzione della pressione all'interno delle super-Terre, tenendo conto per la prima volta della presenza di silicio nel nucleo. Hanno scoperto che l'incorporazione del silicio aumenta le dimensioni modellate di un nucleo planetario ma riduce la sua pressione centrale.

La ricerca futura indagherà come altri elementi leggeri, come carbonio o zolfo, influenzare la struttura e la densità del ferro in condizioni di pressione ultraelevata. I ricercatori sperano anche di misurare altre proprietà fisiche chiave delle leghe di ferro, per vincolare ulteriormente i modelli degli interni degli esopianeti.

"Per un geologo, la scoperta di tanti pianeti extrasolari ha aperto le porte a un nuovo campo di esplorazione, " ha detto Duffy. "Ora ci rendiamo conto che le varietà di pianeti che sono là fuori vanno ben oltre gli esempi limitati nel nostro sistema solare, e c'è un campo di pressione molto più ampio, temperatura e spazio compositivo da esplorare. Comprendere la struttura interna e la composizione di questi grandi, corpi rocciosi è necessario per sondare questioni fondamentali come la possibile esistenza della tettonica a zolle, generazione di campi magnetici, la loro evoluzione termica e anche se sono potenzialmente abitabili."