Gli scienziati hanno scoperto il primo elemento fondamentale nella formazione di una super-Terra

L’ossido di magnesio, un minerale chiave nella formazione planetaria, potrebbe essere il primo a solidificarsi nello sviluppo di esopianeti “super-Terre”, con il suo comportamento in condizioni estreme che influenzerà notevolmente l’evoluzione planetaria, rivela un nuovo studio.

Gli scienziati hanno osservato per la prima volta come gli atomi di ossido di magnesio si trasformano e fondono in condizioni estremamente estreme, fornendo nuove informazioni su questo minerale chiave all’interno del mantello terrestre, noto per influenzare la formazione planetaria.

Esperimenti con laser ad alta energia – che hanno sottoposto minuscoli cristalli di metallo al tipo di calore e pressione che si trovano nelle profondità del mantello di un pianeta roccioso – suggeriscono che il composto potrebbe essere il primo metallo a solidificarsi da oceani di magma per formare “super-Terre” esopianeti.

“L’ossido di magnesio potrebbe essere il solido più importante che controlla la termodinamica di una super-Terra emergente”, ha affermato John Weeks, assistente professore di Scienze della Terra e planetarie presso la Johns Hopkins University che ha guidato la ricerca. “Se ha una temperatura di fusione molto elevata, sarà il primo solido a cristallizzare quando un pianeta caldo e roccioso inizierà a raffreddarsi e il suo interno si separerà in un nucleo e un mantello”.

Implicazioni per i pianeti giovani

I risultati sono stati recentemente pubblicati in Progresso della scienza.

Sottolineano che il modo in cui l’ossido di magnesio passa da una forma all’altra potrebbe avere importanti implicazioni per i fattori che controllano se un giovane pianeta sarà una palla di neve o una roccia fusa, svilupperà oceani d’acqua o un’atmosfera, o avrà una combinazione di queste caratteristiche. .

“Nelle super-Terre, dove questo materiale sarà una componente importante del mantello, la sua trasformazione contribuirà notevolmente alla velocità con cui il calore si muove all’interno, che controllerà il modo in cui si muovono l’interno e il resto della Terra”. “Il pianeta si modella e si deforma nel tempo”, ha detto Weeks. “Possiamo pensare a questo come a un proxy per l’interno di questi pianeti, perché quello sarebbe il materiale che controlla la loro deformazione, che è uno degli elementi costitutivi più importanti dei pianeti rocciosi”.

Una vista degli esperimenti con il laser all’ossido di magnesio (MgO) compattato con urto all’interno della camera del Laser Energy Laboratory. I laser ad alta energia vengono utilizzati per comprimere i campioni di MgO a pressioni superiori a quelle trovate al centro della Terra. Una sorgente di raggi X secondaria viene utilizzata per esplorare la struttura cristallina di MgO. Le aree più luminose brillano di emissione di plasma su scale temporali di nanosecondi. Crediti: June Weeks/Johns Hopkins University

Più grande della Terra ma più piccolo di quanto piace ai giganti Nettuno O UranoLe Super-Terre sono obiettivi primari Pianeta extrasolare Cerca perché si trovano comunemente tra gli altri sistemi solari della galassia. Mentre la composizione di questi pianeti può variare dal gas al ghiaccio o all’acqua, si prevede che i pianeti super-rocciosi contengano grandi quantità di ossido di magnesio che potrebbero influenzare il campo magnetico del pianeta, il vulcanismo e anche altri aspetti geofisici chiave, ha detto Weeks terra. .

Per imitare le condizioni estreme che questo minerale sopporterebbe durante la formazione del pianeta, il team di Wick ha esposto piccoli campioni a pressioni molto elevate utilizzando l’impianto laser Omega-EP presso il Laser Energy Laboratory dell’Università di Rochester. Gli scienziati hanno anche ripreso i raggi X e registrato il modo in cui quei raggi luminosi rimbalzavano sui cristalli per tracciare il modo in cui i loro atomi si riorganizzavano in risposta all’aumento della pressione, rilevando in particolare il punto in cui passavano da solidi a liquidi.

Quando vengono pressati con forza estrema, gli atomi di materiali come l’ossido di magnesio cambiano la loro disposizione per mantenere pressioni di schiacciamento. Questo è il motivo per cui il minerale cambia da una “fase” di salgemma che assomiglia al sale da cucina a una formazione diversa come un altro sale chiamato cloruro di cesio all’aumentare della pressione. Ciò porta a una trasformazione che può influenzare la viscosità del minerale e il suo impatto sul pianeta man mano che invecchia, ha detto Weeks.

Stabilità dell’ossido di magnesio alle alte pressioni

I risultati del team mostrano che l’ossido di magnesio può esistere in entrambe le fasi a pressioni comprese tra 430 e 500 gigaPascal e temperature di circa 9.700 K, quasi il doppio della temperatura della superficie del Sole. Gli esperimenti mostrano anche che le pressioni più alte che il metallo può sopportare prima della fusione completa sono più di 600 gigapascal, circa 600 volte la pressione che si avvertirebbe nelle fosse oceaniche più profonde.

“L’ossido di magnesio si scioglie a una temperatura molto più elevata rispetto a qualsiasi altra sostanza o minerale. Il diamante può essere il materiale più duro, ma è quello che si scioglie per ultimo”, ha detto Weeks. “Quando si tratta di materiali estremi nei piccoli pianeti, è molto probabile essere ossido di magnesio.” “Solido, mentre tutto il resto appeso nel mantello si trasformerà in liquido.”

Weeks ha affermato che lo studio mostra la stabilità e la semplicità dell’ossido di magnesio sotto pressioni estreme e potrebbe aiutare gli scienziati a sviluppare modelli teorici più accurati per esplorare domande chiave sul comportamento di questo e di altri minerali all’interno di mondi rocciosi come la Terra.

“Lo studio è una lettera d’amore per l’ossido di magnesio, perché sorprendentemente ha il punto di fusione a temperatura più alta che conosciamo – a pressioni oltre il centro della Terra – e si comporta ancora come il sale normale”, ha detto Weeks. “È semplicemente bello, semplice sale, anche a queste pressioni e temperature record.”

Riferimento: “Transizione da B1 a B2 nell’ossido di magnesio pressato ad urto” di John K. Settimane, Saransh Singh, Marius Mellot, Dane E. Fratandono, Federica Copari, Martin J. Gorman, Zhixuan Yi, J. Ryan Rigg, Anirudh Hari, John H. Eggert, Thomas S. Duffy e Raymond F. Smith, 7 giugno 2024, Progresso della scienza.
doi: 10.1126/sciadv.adk0306

Altri autori sono Saransh Singh, Marius Mellot e Dane E. Fratandono, Federica Copari, and Martin J. Gorman e John H. Eggert e Raymond F. Smith del Laboratorio Nazionale Lawrence Livermore; Zixuan Yi e Anirudh Hari della Johns Hopkins University; C. Ryan Rigg dell’Università di Rochester; e Tommaso S. Duffy da università di Princeton.

Questa ricerca è stata supportata dalla NNSA attraverso il National Laser User Facility Program nell’ambito del contratto n. DE-NA0002154 e DE-NA0002720 e il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio presso LLNL (progetto n. 15-ERD-012). Questo lavoro è stato eseguito sotto gli auspici del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti dal Lawrence Livermore National Laboratory con il contratto n. DE-AC52-07NA27344. Questa ricerca è stata sostenuta dalla National Nuclear Security Administration attraverso il National Laser User Facility Program (contratto n. DE-NA0002154 e DE-NA0002720) e il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio presso LLNL (progetto n. 15-ERD-014, 17 ). -ERD-014 e 20-ERD-044).