Условия интенсивного давления во внешнем ядре Земли воссозданы в лаборатории

В тысячах километров под поверхностью Земли, под сокрушительным давлением и палящими температурами, можно найти ядро ​​планеты. Там внутреннее ядро, состоящее из никеля и железа, вращается внутри внешнего ядра, где железо и никель находятся в жидком состоянии.

Теперь условия этого внешнего ядра были воссозданы в лаборатории группой под руководством физика Себастьяна Меркеля из Лилльского университета во Франции — таким образом, что ученые смогли наблюдать структурную деформацию железа.

Это не только имеет значение для понимания нашей собственной планеты, но может помочь нам лучше понять, что происходит, когда куски железа сталкиваются в космосе.

В нормальных земных условиях кристаллическая структура железа представляет собой кубическую решетку. Атомы расположены в сетке с атомами в углу каждого куба и одним в центре. Когда железо сжимается под чрезвычайно высоким давлением, эта решетка меняет форму, превращаясь в шестиугольную структуру. Это позволяет разместить больше атомов в том же объеме пространства.

Но трудно понять, что происходит при еще более высоких давлениях и температурах — например, в ядре Земли. Однако в последние годы лазерная технология продвинулась до такой степени, что в лабораторных условиях небольшие образцы могут подвергаться экстремальным условиям, таким как давление и температура, присущие звездам-белым карликам.

Команда SLAC применила два лазера. Первым был оптический лазер, который стрелял в микроскопический образец железа, подвергая его удару, вызывающему сильное давление и тепло.

Внешнее ядро ​​Земли имеет давление в диапазоне от 135 до 330 гигапаскалей (от 1,3 до 3,3 миллиона атмосфер) и температуру от 4000 до 5000 кельвинов (от 3727 до 4727 градусов по Цельсию, или от 6740 до 8540 градусов по Фаренгейту). Образец подвергался воздействию давления до 187 гигапаскалей и температуры до 4070 Кельвинов.

Следующей и, возможно, более сложной задачей было измерение атомной структуры железа во время этого процесса. Для этого команда использовала рентгеновский лазер на свободных электронах Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC, который исследовал образец во время срабатывания оптического лазера.

Полученные изображения, объединенные в последовательность, показали, что железо реагирует на дополнительное напряжение, вызванное этими условиями, двойникованием. Это происходит, когда кристаллическая решетка становится настолько сжатой, что некоторые точки решетки становятся общими для нескольких кристаллов симметричным образом.

Для железа в условиях внешнего ядра Земли это означает, что атомная структура сдвигается так, что шестиугольные формы смещаются почти на 90 градусов. По словам исследователей, этот механизм позволяет металлу выдерживать экстремальные нагрузки.

Теперь, когда мы знаем, как железо ведет себя в таких условиях, эту информацию можно использовать в моделях и симуляциях. Это имеет важные последствия, например, для нашего понимания космических столкновений. Ядро Земли аккуратно спрятано внутри планеты, но есть металлические астероиды, обнаженные ядра планет, формирование которых было нарушено.

Эти объекты могут подвергаться столкновениям с другими объектами, что может деформировать структуру железа в них. Теперь мы лучше понимаем, как это происходит. И, конечно же, теперь мы знаем немного больше о нашей собственной планете.

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.