La colonisation des parties internes des planètes externes de la super-Terre

Vue d’artiste d’une coupe transversale de la super-Terre avec la chambre NIF cible au-dessus du manteau, regardant le noyau. Crédit : John Jett/LLNL Photo

La découverte de plus de 4 500 exoplanètes a créé le besoin de modéliser leur structure interne et leur dynamique. Il s’est avéré que le fer joue un rôle majeur.
Des scientifiques et des collaborateurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont utilisé des lasers au National Ignition Facility pour déterminer la courbe de fusion à haute pression et les propriétés structurelles du fer pur jusqu’à 1 000 gigapascals (près de 10 000 000 atmosphères), soit trois fois la pression interne de la Terre. Noyau et environ quatre fois plus de pression que toutes les expériences précédentes. La recherche apparaît dans La science.

L’équipe a mené une série d’expériences qui simulent les conditions observées en faisant tomber un morceau de fer vers le centre d’un noyau super-Terre. Les expériences sont personnalisées dans le cadre du programme NIF Discovery Science, accessible et accessible à tous les chercheurs.

« L’énorme richesse en fer des planètes intérieures rocheuses rend impératif de comprendre les propriétés du fer et sa réponse dans des conditions extrêmes au plus profond des noyaux de planètes plus massives semblables à la Terre », a déclaré Rick Krause, physicien LLNL et auteur principal de l’article. . . « La courbe de fusion du fer est essentielle pour comprendre sa structure interne, son évolution thermique, ainsi que le potentiel de magnétosphères générées par dynamo. »

On pense que la magnétosphère est un élément important des planètes terrestres habitables, comme c’est le cas sur Terre. La magnétodynamique terrestre dans le noyau externe du fer liquide est générée par la convection entourant le noyau interne du fer solide et est déclenchée par la chaleur latente libérée lors de la solidification du fer.

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Avec l’importance du fer sur les planètes terrestres, des propriétés physiques précises et précises à des pressions et des températures extrêmes sont nécessaires pour prédire ce qui se passe dans les planètes intérieures. Le point de fusion est une propriété de premier ordre du fer, qui fait encore l’objet de débats sur les conditions de l’intérieur de la Terre. La courbe de fusion est la plus grande transition rhéologique qu’une substance puisse subir, d’une avec force à une sans. Où un solide se transforme en liquide, et la température dépend de la pression du fer.

Grâce à des expériences, l’équipe a déterminé la longueur de travail de la dynamo lors de la solidification primaire de la structure hexagonale insérée à l’intérieur des exoplanètes des super-Terres.

« Nous avons découvert que les exoplanètes terrestres plus de quatre à six fois la masse de la Terre auraient la plus longue dynamo, fournissant un bouclier important contre le rayonnement cosmique », a déclaré Krause.

« En plus de notre intérêt à comprendre l’habitabilité des exoplanètes, la technologie que nous avons développée pour le fer sera appliquée à l’avenir à des matériaux plus liés à la programmation », a déclaré Krause, y compris le Repository Stewardship Program.

La courbe de fusion est une contrainte incroyablement sensible sur l’équation du modèle d’état.

L’équipe a également obtenu la preuve que la cinétique de solidification dans des conditions aussi extrêmes est rapide, ne prenant que quelques nanosecondes pour passer du liquide au solide, permettant à l’équipe d’observer les limites de la phase d’équilibre. « Cette idée expérimentale améliore notre modélisation de la réponse dépendante du temps de tous les matériaux pour tous les matériaux », a déclaré Krause.

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Référence : « Measurement of the Iron Melting Curve at Super-Earth Core Conditions » par Richard J. Krause, Russell J. Hemley, Susan J. Ali, Jonathan L. Belov, Lauren X Benedict, Joel Bernier, Dave Brown, Ray Cohen, Gilbert W. Collins, Federica Kopari, Michael P. Degarlais, Dane Fratandono, Sebastian Hamill, Andy Krieger, Amy Lazicki, James McEnany, Marius Melott, Philip C. Mint, Matthew G. Newman, James R. Rigg, Dean M. Sterbentz, Sarah T Stewart, Lars Sticksrud, Damien C Swift, Chris Wehrenberg et John H. Eggert, 13 janvier 2022, La science.
DOI : 10.1126 / science.abm1472

Les autres membres de l’équipe de Livermore incluent Suzanne Ali, John Beloff, Lauren Benedict, Joel Bernier, Dave Brown, Federica Coppari, Dane Fratandono, Sebastian Hummel, Andy Krieger, Amy Lazicki, James McEnany, Marius Melott, Philip Mint, Dean M. Sternpentz, Damien Swift, Chris Wehrenberg et John Eggert. Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Chicago, de la Carnegie Institution for Science, de l’Université de Rochester, du Sandia National Laboratory, du California Institute of Technology, de l’Université de Californie Davis et de l’UCLA ont également contribué à l’étude.

Le travail est financé par le programme de physique et de conception des armes du LLNL et le programme scientifique de découverte du NIF.

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