باستخدام تجارب الليزر عالية الطاقة، أظهر الباحثون أن أكسيد المغنيسيوم كان أول معدن يتصلب أثناء تكوين الكواكب الأرضية الفائقة، وهو عامل رئيسي يؤثر على التطور الجيوفيزيائي لهذه الكواكب.
تشير دراسة جديدة إلى أن أكسيد المغنيسيوم، وهو معدن رئيسي في تكوين الكواكب، قد يتصلب لأول مرة في تشكيل الكواكب الخارجية “الأرضية الفائقة”، والتي يكون لسلوكها في ظل الظروف القاسية آثار كبيرة على تطور الكواكب.
لاحظ العلماء لأول مرة كيف تذوب ذرات أكسيد المغنيسيوم في ظل الظروف القاسية، مما يوفر رؤى جديدة حول هذا المعدن الرئيسي الموجود في عباءة الأرض والذي يؤثر على تكوين الكوكب.
تشير تجارب الليزر عالي الطاقة – التي أخضعت بلورات صغيرة من المعدن إلى نوع من الحرارة والضغط الموجود في أعماق عباءة كوكب صخري – إلى أن المركب قد يكون أول معدن يتصلب من محيطات الصهارة ليشكل “أرضًا فائقة”. الكواكب الخارجية. .
وقال جون ويكس، الأستاذ المساعد في علوم الأرض والكواكب في جامعة جونز هوبكنز، الذي قاد البحث: “قد يكون أكسيد المغنيسيوم هو المادة الصلبة الأكثر أهمية التي تتحكم في الديناميكا الحرارية للأرض الفائقة الناشئة”. “إذا كان لديه درجة حرارة انصهار عالية جدًا، فسيكون أول مادة صلبة تتبلور عندما يبدأ الكوكب الصخري الحار في البرودة، وينفصل الجزء الداخلي منه إلى قلب ووشاح.”
الآثار المترتبة على الكواكب الشابة
تم نشر النتائج حديثا التقدم العلمي.
ويشيرون إلى أن انتقال أكسيد المغنيسيوم من شكل إلى آخر قد يكون له آثار مهمة على العوامل التي تتحكم فيما إذا كان الكوكب الصغير عبارة عن كرة من الجليد أو الصخور المنصهرة، أو يطور محيطات مائية أو أجواء، أو مزيجًا من هذه الميزات.
“على الأرض الفائقة، يمكن أن تكون هذه المادة مكونًا كبيرًا من الوشاح، ويمكن أن يساهم تحولها بشكل كبير في مدى سرعة انتقال الحرارة إلى الداخل، والتي ستتحكم في الداخل والباقي. يتشكل الكوكب ويتحلل على مدى “الوقت،” قال ويكس. “يمكننا أن نفكر فيه كبديل للجزء الداخلي من هذه الكواكب، لأنه أحد أهم لبنات بناء الكواكب الصخرية، وهي المادة التي تتحكم في اضمحلالها.”
منظر للتجارب التي تعتمد على الليزر لأكسيد المغنيسيوم المكثف بالصدمة (MgO) داخل غرفة في مختبر لطاقة الليزر. تُستخدم أشعة الليزر عالية الطاقة لضغط عينات MgO بما يتجاوز الضغوط الموجودة في قلب الأرض. يتم استخدام مصدر ثانوي للأشعة السينية لدراسة التركيب البلوري لـ MgO. تحتوي المناطق الساطعة على انبعاث بلازما مضيء على مقاييس زمنية بالنانو ثانية. الائتمان: يونيو ويكس / جامعة جونز هوبكنز
أكبر من الأرض ولكن أصغر من العمالقة نبتون أو أورانوستعتبر الأرض الفائقة أهدافًا رئيسية خارج كوكب الأرض توجد عمليات البحث بشكل شائع في الأنظمة الشمسية الأخرى في المجرة. على الرغم من أن تكوين هذه الكواكب يختلف من الغاز إلى الجليد أو الماء، كما قال ويكس، فمن المتوقع أن تحتوي الكواكب الصخرية الفائقة على كميات كبيرة من أكسيد المغنيسيوم، والتي يمكن أن تؤثر على المجال المغناطيسي للكوكب، والبراكين وغيرها من الجيوفيزياء الرئيسية المشابهة لتلك الموجودة على الأرض. .
ولمحاكاة الظروف القاسية التي يمكن أن يتحملها هذا المعدن أثناء تكوين الكوكب، قام فريق ويك بتعريض عينات صغيرة لضغوط عالية للغاية باستخدام منشأة ليزر أوميغا-إي بي في مختبر جامعة روتشستر لطاقة الليزر. وقام العلماء بتصوير الأشعة السينية وسجلوا كيفية ارتداد تلك الأشعة من البلورات، وتتبعوا كيفية إعادة ترتيب ذراتها استجابة للضغوط المتزايدة، خاصة أثناء تحولها من الحالة الصلبة إلى السائلة.
عند الضغط عليها بشدة، تغير ذرات المواد مثل أكسيد المغنيسيوم ترتيبها لتحمل ضغط الساحق. ولهذا السبب تتغير المعادن من “طور” الملح الصخري مثل ملح الطعام إلى تكوين مختلف مثل ملح آخر يسمى كلوريد السيزيوم مع زيادة الضغط. وقال ويكس إن هذا يخلق تغييرا يؤثر على لزوجة المعدن وله تأثير مع تقدم عمر الكوكب.
استقرار أكسيد المغنيسيوم عند الضغط العالي
تظهر نتائج الفريق أن أكسيد المغنيسيوم موجود في مرحلته عند ضغط يتراوح بين 430 إلى 500 جيجاباسكال ودرجات حرارة تبلغ حوالي 9700 كلفن، أي ضعف درجة حرارة سطح الشمس. تظهر التجارب أيضًا أن أعلى الضغوط التي يمكن أن يتحملها المعدن قبل أن ينصهر تمامًا هي أكثر من 600 جيجا باسكال، وهو أكبر 600 مرة من الضغط الذي يمكن أن يشعر به المرء في أعمق خنادق المحيط.
وقال ويكس: “ينصهر أكسيد الماغنيسيوم عند درجة حرارة أعلى من أي مادة أو معدن آخر. وقد يكون الماس أصعب المواد، لكنه آخر ما يذوب”.
وقال ويكس إن الدراسة تظهر استقرار وبساطة أكسيد المغنيسيوم تحت ضغوط شديدة، ويمكن أن تساعد العلماء على تطوير نماذج نظرية أكثر دقة لاستكشاف أسئلة رئيسية حول سلوك هذا المعدن وغيره من المعادن في العوالم الصخرية مثل الأرض.
وقال ويكس: “هذه الدراسة هي رسالة حب إلى أكسيد المغنيسيوم لأنه من المدهش أنه يتمتع بأعلى نقطة انصهار نعرفها من حيث درجة الحرارة – عند ضغوط تتجاوز بكثير نواة الأرض – ولا يزال يتصرف مثل الملح العادي”. “إنه ملح جميل وبسيط، حتى في ظل هذه الضغوط ودرجات الحرارة القياسية.”
المرجع: يونيو ك. ويكس، سارانش سينغ، ماريوس ميليت، داين إي. فراتندونو، فيديريكا كوباري، مارتن ج. جورمان، زيكسوان يي، J. “الانتقال من P1 إلى P2 في MGO المضغوط بالصدمات” بقلم ريان ريك، وأنيرود هاري، وجون إتش. إيجيرت، وتوماس إس. دافي، وريموند إف. سميث، 7 يونيو 2024، التقدم العلمي.
دوى: 10.1126/sciadv.adk0306
ومن بين المؤلفين الآخرين سارانش سينغ، وماريوس ميليت، وداين إي. فراتندونو، فيديريكا كوباري، مارتن ج. جورمان، جون ه. إيجيرت ولورنس ليفرمور من مختبر الوطني ريمون ف. حداد؛ زيكسوان يي وأنيرود هاري من جامعة جونز هوبكنز؛ جامعة روتشستر J. رايان ريك؛ و توماس س. دافي جامعة برينستون.
تم دعم هذا البحث من قبل NNSA من خلال برنامج مرفق مستخدمي الليزر الوطني وبرنامج البحث والتطوير الموجه للمختبر في LLNL (المشروع رقم 15-ERD-012) بموجب أرقام العقد DE-NA0002154 وDE-NA0002720. تم تنفيذ هذا العمل تحت رعاية وزارة الطاقة الأمريكية من قبل مختبر لورانس ليفرمور الوطني بموجب العقد DE-AC52-07NA27344. تم دعم هذا البحث من قبل الإدارة الوطنية للأمن النووي من خلال البرنامج الوطني لمرفق مستخدمي الليزر (رقم العقد DE-NA0002154 وDE-NA0002720) وبرنامج البحث والتطوير الموجه للمختبر في LLNL (المشروع رقم 15-ERD-014، 17). ). -ERD-014، و20-ERD-044).
