Muy por debajo de la superficie de la Tierra, alrededor de 1, 800 millas de profundidad, se encuentra una región magmática turbulenta intercalada entre el manto sólido a base de silicato y el núcleo rico en hierro fundido:el límite entre el núcleo y el manto. Es un remanente de tiempos antiguos los días primordiales hace unos 4.500 millones de años cuando todo el planeta se fundió, un mar interminable de magma. Aunque las presiones y temperaturas extremas de la región dificultan el estudio, contiene pistas sobre la misteriosa historia del origen del mundo tal como lo conocemos.

"Todavía estamos tratando de reconstruir cómo comenzó a formarse la Tierra, cómo se transformó de un planeta fundido a uno con criaturas vivientes caminando sobre su manto y corteza de silicato, "dice Arianna Gleason, científico del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía. "Aprender sobre las formas extrañas en que se comportan los materiales bajo diferentes presiones puede darnos algunas pistas".

Ahora, Los científicos han desarrollado una forma de estudiar los silicatos líquidos en las condiciones extremas que se encuentran en el límite entre el núcleo y el manto. Esto podría conducir a una mejor comprensión de los primeros días fundidos de la Tierra, que incluso podría extenderse a otros planetas rocosos. La investigación fue dirigida por los científicos Guillaume Morard y Alessandra Ravasio. El equipo, que incluyó a Gleason y otros investigadores de SLAC y la Universidad de Stanford, publicaron sus hallazgos esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Hay características de líquidos y vasos, en particular, el silicato se funde, que no entendemos, "dice Morard, científico de la Universidad de Grenoble y la Universidad de la Sorbona en Francia. "El problema es que los materiales fundidos son intrínsecamente más difíciles de estudiar. A través de nuestros experimentos, pudimos sondear materiales geofísicos a temperaturas y presiones extremadamente altas de la Tierra profunda para abordar su estructura líquida y aprender cómo se comportan. En el futuro lo haremos poder utilizar este tipo de experimentos para recrear los primeros momentos de la Tierra y comprender los procesos que le dieron forma ".

Mas caliente que el sol

En el láser de electrones libres de rayos X de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, los investigadores primero enviaron una onda de choque a través de una muestra de silicato con un láser óptico cuidadosamente ajustado. Esto les permitió alcanzar presiones que imitan a las del manto de la Tierra, 10 veces más alto que lo logrado anteriormente con silicatos líquidos, y temperaturas tan altas como 6, 000 Kelvin, un poco más caliente que la superficie del sol.

Próximo, los investigadores golpearon la muestra con pulsos de láser de rayos X ultrarrápidos de LCLS en el momento preciso en que la onda de choque alcanzó la presión y temperatura deseadas. Algunos de los rayos X luego se dispersaron en un detector y formaron un patrón de difracción. Al igual que cada persona tiene su propio conjunto de huellas digitales, la estructura atómica de los materiales suele ser única. Los patrones de difracción revelan esa huella dactilar material, permitiendo a los investigadores seguir cómo los átomos de la muestra se reorganizaron en respuesta al aumento de presión y temperatura durante la onda de choque. Compararon sus resultados con los de experimentos anteriores y simulaciones moleculares para revelar una línea de tiempo evolutiva común de vidrios y silicatos líquidos a alta presión.

"Es emocionante poder reunir todas estas técnicas diferentes y obtener resultados similares, ", dice el científico y coautor de SLAC, Hae Ja Lee." Esto nos permite encontrar un marco combinado que tiene sentido y dar un paso adelante. Es muy completo en comparación con otros estudios ".

Conectando lo atomístico con lo planetario

En el futuro, la actualización LCLS-II, así como actualizaciones al instrumento Materia en Condiciones Extremas (MEC) donde se realizó esta investigación, permitirá a los científicos recrear las condiciones extremas que se encuentran en el núcleo interno y externo para aprender cómo se comporta el hierro y el papel que desempeña en la generación y configuración del campo magnético de la Tierra.

Para dar seguimiento a este estudio, los investigadores planean realizar experimentos a energías de rayos X más altas para realizar mediciones más precisas de la disposición atómica de los silicatos líquidos. También esperan alcanzar temperaturas y presiones más altas para comprender cómo se desarrollan estos procesos en planetas más grandes que la Tierra. las llamadas super-Tierras o exoplanetas, y cómo el tamaño y la ubicación de un planeta influyen en su composición.

"Esta investigación nos permite conectar lo atomístico con lo planetario, "Dice Gleason." A partir de este mes, más de 4, Se han descubierto 000 exoplanetas, aproximadamente 55 de las cuales están ubicadas en la zona habitable de sus estrellas, donde es posible que exista agua líquida. Algunos de ellos han evolucionado hasta el punto en que creemos que hay un núcleo metálico que podría generar campos magnéticos, que protegen a los planetas de los vientos estelares y la radiación cósmica. Hay tantas piezas que deben encajar en su lugar para que la vida se forme y se sostenga. Hacer las mediciones importantes para comprender mejor la construcción de estos planetas es crucial en esta era de descubrimientos ".