«Наши результаты дают лучшее понимание того, как эволюционируют магмы, вызванные ударами, и позволяют нам моделировать внутренние структуры планет земного типа. Столкновения при этих экстремальных температурах и давлениях создали нашу собственную Землю и, возможно, также сформировали мантии других планет Суперземли, например, CoRoT-7b и Kepler-10b », — сказал Тошимори Секин, доктор философии, первый автор исследовательской работы и профессор Университета Хиросимы.Эти мощные столкновения вызывают химические реакции внутри гигантских горных пород, и знание того, какие типы реакций происходят в каких условиях, дает исследователям лучшее понимание развития планет, находящихся слишком далеко, чтобы их могли исследовать спутники.
Многие породы включают форстерит, типичный минерал, который составляет большую часть вещества в космосе. Форстерит, известный ученым как Mg2SiO4, представляет собой комбинацию магния, силикона и кислорода и является наиболее распространенным компонентом мантии Земли, слоем между поверхностной корой и расплавленным ядром.
Исследовательская группа геофизиков и инженеров успешно измерила плавление форстерита. Однако воспроизвести интенсивные столкновения, которые могут превратить минералы в магму в земных экспериментах, было сложной задачей.
«Техника лазерного удара впервые была использована в 1990-х годах, но результаты не были точными. Последние технические достижения позволяют нам точно измерять состояния, пораженные лазерным током», — сказал Секин.В методе лазерного удара используется мощный лазер для облучения цели, которая в экспериментах команды Секинэ представляла собой блок форстерита. Энергия излучения вызывает резкое расширение молекул мишени, а инерция этого расширения порождает ударную волну.
Энергия ударной волны может создавать тепло и свет, которые плавятся и отражаются от форстерита.Предыдущие исследования без использования лазерной ударной техники измеряли свойства форстерита только при ударных давлениях ниже 200 гигапаскалей (ГПа). В новых экспериментах кристаллы форстерита находились под давлением примерно от 250 до 970 ГПа.
Для сравнения, давление в центре Земли оценивается в 360 ГПа.Исследователи измерили давление, температуру, плотность и отражательную способность форстерита, подвергшегося лазерному шоку. Эти параметры не увеличивались с постоянной скоростью, поскольку давление неуклонно увеличивалось, показывая, что в ударном расплаве форстерита при давлениях от 250 ГПа до 344 ГПа происходят как реакции выработки энергии, так и поглощения энергии.Более ранние исследования связали оксид магния, один из минералов, образующихся из форстерита, с реакциями, необходимыми для развития на планете магнитного поля, которое сохраняется в течение длительного геологического времени, например магнитного поля Земли.
С помощью этих новых деталей поведения плавления форстерита исследователи могут предсказать, как минералы разделяются на разные слои магмы и какие минералы могут находиться достаточно близко, чтобы реагировать.«Наши результаты могут подтвердить возможность того, что сильные крупномасштабные столкновения между космическими телами, содержащими достаточно форстерита и движущимися со скоростью более 13 километров в секунду (8,1 мили в секунду), могут привести к химическому расслоению в каминных полах массивных планет земной группы.
Плавление форстерита "могли образовать достаточно высокую концентрацию оксида магния в раннем ядре Земли, чтобы создать магнитное поле вокруг планеты", — сказал Секин.