Usando rayos láser de alta potencia, Los investigadores han simulado las condiciones dentro de un planeta tres veces más grande que la Tierra.

Los científicos han identificado más de 2, 000 de estas "super-Tierras, "exoplanetas que son más grandes que la Tierra pero más pequeños que Neptuno, el siguiente planeta más grande de nuestro sistema solar. Al estudiar cómo responden las aleaciones de hierro y silicio a presiones extraordinarias, los científicos están adquiriendo nuevos conocimientos sobre la naturaleza de las super-Tierras y sus núcleos.

"Ahora tenemos una técnica que nos permite acceder directamente a las presiones extremas de los interiores profundos de los exoplanetas y medir propiedades importantes". "dijo Thomas Duffy, profesor de geociencias en Princeton. "Previamente, los científicos estaban restringidos a cálculos teóricos o extrapolaciones largas de datos de baja presión. La capacidad de realizar experimentos directos nos permite probar resultados teóricos y proporciona un grado mucho mayor de confianza en nuestros modelos sobre cómo se comportan los materiales en estas condiciones extremas ".

La obra, lo que resultó en los datos de difracción de rayos X de mayor presión jamás registrados, fue dirigida por June Wicks cuando era investigadora asociada en Princeton, trabajando con Duffy y sus colegas en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y la Universidad de Rochester. Sus resultados fueron publicados hoy en la revista Avances de la ciencia .

Debido a que las supertierras no tienen análogos directos en nuestro propio sistema solar, los científicos están ansiosos por aprender más sobre sus posibles estructuras y composiciones, y así obtener información sobre los tipos de arquitecturas planetarias que pueden existir en nuestra galaxia. Pero enfrentan dos limitaciones clave:no tenemos medidas directas de nuestro propio núcleo planetario desde el cual extrapolar, y las presiones interiores en las súper-Tierras pueden alcanzar más de 10 veces la presión en el centro de la Tierra, mucho más allá de la gama de técnicas experimentales convencionales.

Las presiones logradas en este estudio, hasta 1, 314 gigapascales (GPa):son aproximadamente tres veces más altos que los experimentos anteriores, haciéndolos más directamente útiles para modelar la estructura interior de grandes, exoplanetas rocosos, Dijo Duffy.

"La mayoría de los experimentos de alta presión utilizan celdas de yunque de diamante que rara vez alcanzan más de 300 GPa, "o 3 millones de veces la presión en la superficie de la Tierra, él dijo. Las presiones en el núcleo de la Tierra alcanzan los 360 GPa.

"Nuestro enfoque es más nuevo, y muchas personas de la comunidad aún no están tan familiarizadas con él, pero hemos demostrado en este (y en el pasado) trabajo que habitualmente podemos alcanzar presiones superiores a 1, 000 GPa o más (aunque solo por una fracción de segundo). Nuestra capacidad para combinar esta presión muy alta con la difracción de rayos X para obtener información estructural nos proporciona una herramienta novedosa para explorar los interiores planetarios. " él dijo.

Los investigadores comprimieron dos muestras durante solo unas mil millonésimas de segundo, el tiempo suficiente para sondear la estructura atómica utilizando un pulso de rayos X brillantes. El patrón de difracción resultante proporcionó información sobre la densidad y la estructura cristalina de las aleaciones de hierro-silicio, revelando que la estructura cristalina cambió con un mayor contenido de silicio.

"El método de difracción de rayos X simultánea y experimentos de choque está todavía en su infancia, por lo que es emocionante ver una "aplicación del mundo real" para el núcleo de la Tierra y más allá, "dijo Kanani Lee, profesor asociado de geología y geofísica en la Universidad de Yale que no participó en esta investigación.

Esta nueva técnica constituye una contribución "muy significativa" al campo de la investigación de exoplanetas, dijo Diana Valencia, pionero en el campo y profesor asistente de física en la Universidad de Toronto-Scarborough, que no participó en esta investigación. "Este es un buen estudio porque no solo extrapolamos de las presiones bajas y esperamos lo mejor. Esto en realidad nos está dando lo mejor, 'dándonos esos datos, y por lo tanto restringe mejor nuestros modelos ".

Wicks y sus colegas dirigieron un rayo láser corto pero intenso sobre dos muestras de hierro:una aleada con silicio al 7 por ciento en peso, similar a la composición modelada del núcleo de la Tierra, y otro con 15 por ciento en peso de silicio, una composición que es posible en núcleos exoplanetarios.

El núcleo de un planeta ejerce control sobre su campo magnético, evolución térmica y relación masa-radio, Dijo Duffy. "Sabemos que el núcleo de la Tierra es hierro aleado con alrededor del 10 por ciento de un elemento más ligero, y el silicio es uno de los mejores candidatos para este elemento ligero tanto para la Tierra como para los planetas extrasolares ".

Los investigadores encontraron que a presiones ultra altas, la aleación de silicio inferior organizó su estructura cristalina en una estructura hexagonal compacta, mientras que la aleación con mayor contenido de silicio utilizó empaquetadura cúbica centrada en el cuerpo. Esa diferencia atómica tiene enormes implicaciones, dijo Wicks, quien ahora es profesor asistente en la Universidad Johns Hopkins.

"El conocimiento de la estructura cristalina es la información más fundamental sobre el material que forma el interior de un planeta, como todas las demás propiedades físicas y químicas se derivan de la estructura cristalina, " ella dijo.

Wicks y sus colegas también midieron la densidad de las aleaciones de hierro y silicio en un rango de presiones. Descubrieron que a las presiones más altas, las aleaciones de hierro y silicio alcanzan de 17 a 18 gramos por centímetro cúbico, aproximadamente 2,5 veces más densas que en la superficie de la Tierra, y comparable a la densidad del oro o platino en la superficie de la Tierra. También compararon sus resultados con estudios similares realizados con hierro puro y descubrieron que las aleaciones de silicio son menos densas que el hierro sin alear. incluso bajo presiones extremas.

"Un núcleo de hierro puro no es realista, "dijo Duffy, "ya que el proceso de formación planetaria conducirá inevitablemente a la incorporación de cantidades significativas de elementos más ligeros. Nuestro estudio es el primero en considerar estas composiciones centrales más realistas".

Los investigadores calcularon la distribución de densidad y presión dentro de las súper Tierras, teniendo en cuenta la presencia de silicio en el núcleo por primera vez. Descubrieron que la incorporación de silicio aumenta el tamaño modelado de un núcleo planetario pero reduce su presión central.

Las investigaciones futuras investigarán cómo otros elementos ligeros, como carbono o azufre, afectan la estructura y densidad del hierro en condiciones de presión ultra alta. Los investigadores también esperan medir otras propiedades físicas clave de las aleaciones de hierro, para restringir aún más los modelos de interiores de exoplanetas.

"Para un geólogo, el descubrimiento de tantos planetas extrasolares ha abierto la puerta a un nuevo campo de exploración, ", dijo Duffy." Ahora nos damos cuenta de que las variedades de planetas que existen van mucho más allá de los ejemplos limitados en nuestro propio sistema solar, y hay un campo de presión mucho más amplio, espacio de temperatura y composición que hay que explorar. Comprender la estructura interior y la composición de estos grandes, cuerpos rocosos es necesario para sondear cuestiones fundamentales como la posible existencia de placas tectónicas, generación de campo magnético, su evolución térmica e incluso si son potencialmente habitables ".