El descubrimiento de más de 4.500 planetas extrasolares creó la necesidad de modelar su estructura interior y dinámica. Resulta que el hierro juega un papel clave.
Los científicos y colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) utilizaron láseres en el Centro 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 de atmósferas), tres veces la presión del interior del la tierra. núcleo y presión casi cuatro veces mayor que cualquier experimento anterior. La búsqueda aparece en Ciencias.

El equipo realizó una serie de experimentos que emulan las condiciones observadas para un paquete de hierro que desciende hacia el centro de un núcleo de súper Tierra. Los experimentos se asignaron como parte del programa NIF Discovery Science, que es de acceso abierto y está disponible para todos los investigadores.

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

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

Con la prominencia 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 su punto de fusión, que aún se debate por las condiciones en el interior de la Tierra. La curva de fusión es la mayor transición reológica que puede sufrir un material, de un material con resistencia a uno sin ella. 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 compacta hexagonal dentro de los exoplanetas de la súper Tierra.

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

Kraus dijo: «Además 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», incluido el Programa de gestión de inventario.

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

El equipo también obtuvo pruebas de que la cinética de solidificación en condiciones tan extremas es rápida, ya que la transición de líquido a sólido tarda solo nanosegundos, lo que permite al equipo observar el límite de la fase de equilibrio. “Este conocimiento experimental está mejorando nuestro modelado de la respuesta material dependiente del tiempo para todos los materiales”, dijo Kraus.

Referencia: «Medición de la curva de fusión del hierro en condiciones del núcleo de la súper Tierra» 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, Sebastien 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, Ciencias.
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, Sebastien 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 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 del LLNL y el programa Discovery Science del NIF.