El descubrimiento de más de 4.500 planetas extrasolares ha creado la necesidad de modelar su estructura y dinámica interior. Resulta que el hierro juega un papel clave.
Los científicos y colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) utilizaron láseres en la Instalación Nacional de Ignición para determinar experimentalmente la curva de fusión a alta presión y las propiedades estructurales del hierro puro hasta 1000 GPa (casi 10 000 000 d de atmósferas), tres veces la presión del interior de la tierra. núcleo y casi cuatro veces más presión que todas las experiencias anteriores. La búsqueda aparece en La ciencia.

El equipo realizó una serie de experimentos que imitan las condiciones vistas por un parche de hierro que desciende hacia el centro de un núcleo de súper Tierra. Los experimentos fueron otorgados bajo el programa NIF Discovery Science, que es de acceso abierto y está disponible para todos los investigadores.

«La riqueza de hierro dentro de los planetas rocosos hace que sea necesario comprender las propiedades y la respuesta del hierro a las condiciones extremas en lo profundo de los núcleos de planetas más masivos como la Tierra», dijo Rick Kraus, físico de LLNL y autor principal del artículo. . «La curva de fusión del hierro es esencial para comprender la estructura interna, la evolución térmica y el potencial de las magnetosferas generadas por dínamo».

Se cree que una magnetosfera es un componente importante de los planetas terrestres habitables, como lo es en la Tierra. La magnetodinamo de la Tierra se genera en el núcleo externo de hierro líquido convectivo que rodea el núcleo interno de hierro sólido y se alimenta del calor latente liberado durante la solidificación del hierro.

Con la importancia del hierro en los planetas terrestres, se necesitan propiedades físicas exactas y precisas a presiones y temperaturas extremas para predecir lo que sucede dentro de sus interiores. Una propiedad de primer orden del hierro es el punto de fusión, que aún se debate por las condiciones dentro de la Tierra. La curva de fusión es la mayor transición reológica que puede sufrir un material, de un material resistente a otro sin él. Aquí es donde un sólido se convierte en líquido y la temperatura depende de la presión de la plancha.

A través de los experimentos, el equipo determinó la duración de la acción de la dínamo durante la solidificación del núcleo a la estructura hexagonal compacta en los exoplanetas de la súper Tierra.

«Descubrimos que los exoplanetas terrestres con cuatro a seis veces la masa de la Tierra tendrán las dínamos más largas, que brindan una protección significativa contra la radiación cósmica», dijo Kraus.

Kraus dijo: «Más allá de nuestro interés en comprender la habitabilidad de los exoplanetas, la técnica que desarrollamos para el hierro se aplicará a materiales más relevantes desde el punto de vista programático en el futuro», incluida la administración del inventario d.

La curva de fusión es una restricción increíblemente sensible en un modelo de ecuación de estado.

El equipo también obtuvo evidencia de que la cinética de solidificación en estas condiciones extremas es rápida, ya que toma solo nanosegundos para pasar de líquido a sólido, lo que le permite al equipo observar el límite de fase de equilibrio. «Esta idea experimental mejora nuestro modelado de la respuesta del material en función del tiempo para todos los materiales», dijo Kraus.

Referencia: «Medición de la curva de fusión del hierro en las condiciones del núcleo de la supertierra» por Richard G. Kraus, Russell J. Hemley, Suzanne J. Ali, Jonathan L. Belof, Lorin X. Benedict, Joel Bernier, Dave Braun, RE Cohen, Gilbert W. Collins, Federica Coppari, Michael P. Desjarlais, Dayne Fratanduono, Sébastien Hamel, Andy Krygier, Amy Lazicki, James Mcnaney, Marius Millot, Philip C. Myint, Matthew G. Newman, James R. Rygg, Dane M. Sterbentz , Sarah T. Stewart, Lars Stixrude, Damian C. Swift, Chris Wehrenberg y Jon H. Eggert, 13 de enero de 2022, La ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abm1472

Otros miembros del equipo de Livermore incluyen a Suzanne Ali, Jon Belof, Lorin Benedict, Joel Bernier, Dave Braun, Federica Coppari, Dayne Fratanduono, Sébastien Hamel, Andy Krygier, Amy Lazicki, James McNaney, Marius Millot, Philip Myint, Dane M. Sterbentz, Damian Swift, Chris Wehrenberg y Jon Eggert. Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago, la Institución Carnegie para la Ciencia, la Universidad de Rochester, el Laboratorio Nacional Sandia, el Instituto de Tecnología de California, la Universidad de California en Davis y la Universidad de California en Los Ángeles también contribuyeron al estudio. .

El trabajo está financiado por el Programa de Diseño y Física de Armas de LLNL y el Programa de Ciencia Discovery de NIF.