Refinar los interiores de los exoplanetas Super-Tierra

Concepción artística de la sección transversal de una súper Tierra con la cámara de destino NIF superpuesta en el manto, mirando hacia el núcleo. Crédito: Imagen de John Jett / LLNL

El descubrimiento de más de 4500 exoplanetas creó la necesidad de modelar su estructura y dinámica internas. Aparentemente, 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 dentro del el núcleo de la Tierra y casi cuatro veces la presión de cualquier experimento anterior. La búsqueda aparece en Ciencias.

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

«La gran 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 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 la dínamo».

Se cree que una magnetosfera es un componente importante de los planetas terrestres habitables, como lo es en la Tierra. La magnetodinamo terrestre se genera en el núcleo de hierro líquido convectivo externo que rodea el núcleo interno de hierro sólido y es alimentado por el 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 su punto de fusión, que aún se debate debido a las condiciones internas de la Tierra. La curva de fusión es la mayor transición reológica que puede sufrir un material, de un material con resistencia a otro sin ella. 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 a medida que el núcleo se solidifica en la estructura hexagonal compacta dentro de los exoplanetas de la súper Tierra.

«Encontramos que los exoplanetas de la Tierra con una masa de cuatro a seis veces mayor que la de la Tierra tendrán las dínamos más largas, que brindan un importante escudo contra la radiación cósmica», dijo Kraus.

Kraus dijo: «Además de nuestro interés en comprender la habitabilidad de los exoplanetas, la técnica que hemos desarrollado para el hierro se aplicará a materiales más relevantes desde el punto de vista programático en el futuro», incluido el programa Stockpile Stewardship.

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, y tarda solo nanosegundos en pasar de líquido a sólido, lo que permite al equipo observar el límite de fase de equilibrio. «Esta información experimental está mejorando nuestro modelado de respuesta material dependiente del tiempo para todos los materiales», dijo Kraus.

Referencia: «Medición de la curva de fusión del hierro en la condición 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. También contribuyeron al estudio 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 Los Ángeles. .

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