Cientistas descobriram o primeiro bloco de construção na formação de uma super-Terra

Através de experiências com laser de alta energia, os investigadores demonstraram que o óxido de magnésio é provavelmente o primeiro mineral a solidificar na formação de super-Terras, influenciando decisivamente a evolução geofísica destes planetas.

O óxido de magnésio, um mineral chave na formação planetária, pode ser o primeiro a solidificar no desenvolvimento de exoplanetas “super-Terras”, com o seu comportamento sob condições extremas influenciando grandemente a evolução planetária, revela um novo estudo.

Os cientistas observaram pela primeira vez como os átomos de óxido de magnésio se transformam e derretem sob condições extremamente extremas, fornecendo novos conhecimentos sobre este mineral chave no manto da Terra, conhecido por influenciar a formação planetária.

Experimentos com laser de alta energia – que submeteram minúsculos cristais do metal ao tipo de calor e pressão encontrados nas profundezas do manto de um planeta rochoso – sugerem que o composto poderia ser o primeiro metal a se solidificar a partir de oceanos de magma para formar “super-Terras”. exoplanetas.

“O óxido de magnésio pode ser o sólido mais importante que controla a termodinâmica de uma super-Terra emergente”, disse John Weeks, professor assistente de ciências da Terra e planetárias na Universidade Johns Hopkins que liderou a investigação. “Se tiver uma temperatura de fusão muito elevada, será o primeiro sólido a cristalizar quando um planeta quente e rochoso começar a arrefecer e o seu interior se separar num núcleo e manto.”

Implicações para planetas jovens

Os resultados foram publicados recentemente em Avanço da ciência.

Eles salientam que a forma como o óxido de magnésio transita de uma forma para outra pode ter implicações importantes para os factores que controlam se um planeta jovem será uma bola de neve ou uma rocha derretida, desenvolverá oceanos de água ou uma atmosfera, ou terá alguma combinação destas características. .

“Nas super-Terras, onde este material será um grande componente do manto, a sua transformação contribuirá grandemente para a rapidez com que o calor se move no interior, o que controlará a forma como o interior e o resto da Terra se movem.” “O planeta molda-se e deforma-se ao longo do tempo”, disse Weeks. “Podemos pensar nisto como um substituto para o interior destes planetas, porque esse seria o material que controla a sua deformação, que é um dos blocos de construção mais importantes dos planetas rochosos.”

Uma visão dos experimentos com laser de óxido de magnésio compactado por choque (MgO) dentro da câmara do Laboratório de Energia Laser. Lasers de alta energia são usados ​​para comprimir amostras de MgO a pressões superiores às encontradas no centro da Terra. Uma fonte secundária de raios X é usada para explorar a estrutura cristalina do MgO. As áreas mais brilhantes brilham com emissão de plasma em escalas de tempo de nanossegundos. Crédito: June Weeks/Universidade Johns Hopkins

Maior que a Terra, mas menor que gigantes como Netuno ou UranoSuper-Terras são alvos principais Exoplaneta Pesquisa porque são comumente encontrados entre outros sistemas solares da galáxia. Embora a composição desses planetas possa variar de gás a gelo ou água, espera-se que os planetas superrochosos contenham grandes quantidades de óxido de magnésio que podem afetar o campo magnético do planeta, o vulcanismo e também outras questões geofísicas importantes, disse Weeks. chão. .

Para imitar as condições extremas que este mineral suportaria durante a formação do planeta, a equipe de Wick expôs pequenas amostras a pressões muito altas usando a instalação de laser Omega-EP no Laboratório de Energia Laser da Universidade de Rochester. Os cientistas também obtiveram imagens de raios X e registaram como esses raios de luz refletiam nos cristais para rastrear como os seus átomos se reorganizavam em resposta ao aumento de pressões, observando especificamente o ponto em que mudaram de sólido para líquido.

Quando pressionados com força extrema, os átomos de materiais como o óxido de magnésio mudam seu arranjo para manter as pressões de esmagamento. É por isso que o mineral muda de uma “fase” de sal-gema que se assemelha ao sal de cozinha para uma formação diferente, como outro sal chamado cloreto de césio, à medida que a pressão aumenta. Isto leva a uma transformação que pode afetar a viscosidade do mineral e o seu impacto no planeta à medida que envelhece, disse Weeks.

Estabilidade do óxido de magnésio em altas pressões

Os resultados da equipe mostram que o óxido de magnésio pode existir em ambas as fases a pressões de 430 a 500 gigaPascals e temperaturas de cerca de 9.700 K, quase o dobro da temperatura da superfície do Sol. As experiências também mostram que as pressões mais elevadas que o metal pode suportar antes de derreter completamente são superiores a 600 gigapascais, cerca de 600 vezes a pressão que se sentiria nas fossas oceânicas mais profundas.

“O óxido de magnésio derrete a uma temperatura muito mais alta do que qualquer outra substância ou mineral. O diamante pode ser o material mais duro, mas é o que derreterá por último”, disse Weeks. “Quando se trata de materiais extremos em planetas pequenos, é mais provável. será óxido de magnésio.” “Sólido, enquanto tudo o mais pendurado no manto se transformará em líquido.”

Weeks disse que o estudo mostra a estabilidade e simplicidade do óxido de magnésio sob pressões extremas e pode ajudar os cientistas a desenvolver modelos teóricos mais precisos para explorar questões-chave sobre o comportamento deste e de outros minerais em mundos rochosos como a Terra.

“O estudo é uma carta de amor ao óxido de magnésio, porque surpreendentemente ele tem o ponto de fusão mais alto que conhecemos – em pressões além do centro da Terra – e ainda se comporta como o sal normal”, disse Weeks. “É um sal simplesmente lindo e simples, mesmo nessas pressões e temperaturas recordes.”

Referência: “Transição B1 para B2 em óxido de magnésio prensado por choque” por John K. Semanas, Saransh Singh, Marius Mellot, Dane E. Fratandono, Federica Copari, Martin J. Gorman, Zhixuan Yi, J. Ryan Rigg, Anirudh Hari, John H. Eggert, Thomas S. Duffy e Raymond F. Smith, 7 de junho de 2024, Avanço da ciência.
doi: 10.1126/sciadv.adk0306

Outros autores são Saransh Singh, Marius Mellot e Dane E. Fratandono, Federica Copari, and Martin J. Gorman e John H. Eggert e Raymond F. Smith do Laboratório Nacional Lawrence Livermore; Zixuan Yi e Anirudh Hari, da Universidade Johns Hopkins; C. Ryan Rigg, da Universidade de Rochester; e Tomás S. Duffy de Universidade de Princeton.

Esta pesquisa foi apoiada pela NNSA através do Programa Nacional de Instalações para Usuários de Laser sob o Contrato nº DE-NA0002154 e DE-NA0002720 e do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório no LLNL (Projeto nº 15-ERD-012). Este trabalho foi realizado sob os auspícios do Departamento de Energia dos EUA pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore sob o contrato nº DE-AC52-07NA27344. Esta pesquisa foi apoiada pela Administração Nacional de Segurança Nuclear por meio do Programa Nacional de Instalações para Usuários de Laser (Contrato nº DE-NA0002154 e DE-NA0002720) e do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório no LLNL (Projeto nº 15-ERD-014, 17 ). -ERD-014 e 20-ERD-044).