Мощнейший в мире лазер помог воссоздать условия в ядрах суперземель

Давление, имитирующее условия в ядре планеты, создали с помощью лазера.

Иллюстрация LLNL.

Физики впервые изучили, как ведёт себя железо при давлениях, сравнимых с условиями в ядре суперземли. Полученные данные помогут улучшить модели внутреннего строения планет и точнее интерпретировать данные космических наблюдений. О достижении рассказывает научная статья, опубликованная в журнале Nature Astronomy командой во главе с Джоном Эггертом (Jon Eggert) из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, США.

"Открытие большого количества планет вне нашей Солнечной системы стало одним из самых захватывающих научных прорывов нашего поколения, – говорит в пресс-релизе лаборатории первый автор исследования Рэймонд Смит (Raymond Smith). – Эти открытия поднимают фундаментальные вопросы: каковы различные типы экзопланет и как они формируются и развиваются? Какие из этих объектов потенциально могут поддерживать на поверхности условия, подходящие для жизни? Для решения таких вопросов необходимо понимать состав и внутреннюю структуру этих объектов".

До далёких миров не дотянешься с пробиркой, и у астрономов весьма мало способов выяснить, что там происходит. Специалисты ориентируются на спектр планеты, на её плотность, расстояние до звезды и так далее. По этим скудным данным приходится восстанавливать вероятный химический состав планеты, условия на поверхности, геологические особенности и так далее. В этом учёным помогают специально разработанные модели.

Но модель не возьмётся ниоткуда: для её построения нужны экспериментальные данные. Здесь, как говорится, и зарыта собака.

Большинство потенциально обитаемых миров, известных на сегодняшний день астрономам, в несколько раз превосходят Землю по размерам. Это объяснимо: чем больше планета, тем проще её найти. Однако воспроизвести в лаборатории условия, царящие в недрах таких суперземель, не так-то просто. В частности, если планета больше Земли в пять раз, то давление в её центре достигает двух миллионов атмосфер. Как ведёт себя вещество в таких условиях, попросту никто не знает.

Авторы решили по возможности заполнить этот пробел. В качестве подопытного материала они выбрали железо. Такой выбор легко объясним. Железо – самый тяжёлый элемент, образующийся в недрах звёзд при термоядерном синтезе, а это основной "химический комбинат" во Вселенной. Более тяжёлые "обитатели" таблицы Менделеева рождаются лишь при взрывах сверхновых, столкновениях нейтронных звёзд и некоторых других экзотических процессах.

Поскольку железо образуется в недрах звёзд, его в космосе довольно много, так что оно наверняка найдётся в составе любой скалистой планеты. А поскольку оно такое тяжёлое, то под действием гравитации опустится в самый её центр. Выходит, "мы говорим: ядро, подразумеваем: железо". К слову, из этого металла по большей части состоит и ядро Земли.

Чтобы сжать вещество, исследователи использовали лазер NIF, который на сегодняшний день является мощнейшим в мире. В импульс продолжительностью 30 наносекунд он вкладывает до двух мегаджоулей энергии. Это позволило авторам получить давление света, равное 14 миллионам атмосфер. Эта цифра в четыре раза превосходит предыдущий рекорд. Такие значения достигаются в ядре планеты, в три-четыре раза превосходящей Землю по размерам.

Измеряя скорость звука в сжатом железе, специалисты вывели его уравнение состояния. Это закон, который связывает объём, давление и температуру вещества, так что любой из этих параметров можно найти, зная два других.

В качестве первого применения полученных знаний эксперты построили зависимость массы от радиуса для гипотетической планеты, состоящей из чистого железа. Поясним, что эта зависимость не сводится к умножению известной из таблицы плотности металла на объём небесного тела, так как плотность будет существенно меняться с глубиной.

Конечно, железная планета – это "сферический конь в вакууме", но в будущем выведенное уравнение наверняка будет использовано и в более правдоподобных моделях.

К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о том, как астрономы впервые узнали, из чего состоят землеподобные планеты, и о звезде, плавящей экзопланету изнутри.