Новая кристаллическая структура проливает свет на динамику внесолнечных планет

Newswise — Ученые используют передовой источник фотонов в Аргонне для изучения больших экзопланет, которые могут пролить свет на то, как планеты в нашей галактике формируются и развиваются.

На протяжении десятилетий ученые искали инопланетные миры за пределами нашей Солнечной системы, чтобы больше узнать о нашей планете. Группа исследователей, использующая ресурсы Министерства энергетики США (Министерство энергетикиАргоннская национальная лаборатория недавно обнаружила больше об этих планетах, даже не покидая Земли.

С 1992 года было обнаружено более 5000 экзопланет. Эти планеты представляют собой большие астрономические тела, которые находятся за пределами нашей Солнечной системы и вращаются вокруг звезд, отличных от Солнца. Изучение минералов, из которых состоят экзопланеты, и того, как они формируются, важно для понимания того, как планеты в нашей галактике ведут себя и развиваются.

Обнаружив экзопланеты, мы получили совершенно новый взгляд на то, что там находится, какие планеты возможны и как они могут работать», — сказал Томас Даффи, профессор наук о Земле в Принстонском университете.

Открывая экзопланеты, мы получаем совершенно новый взгляд на то, что там находится, какие типы планет возможны и как они могут функционировать. – Томас Даффи, Принстонский университет

Например, некоторые экзопланеты состоят из тех же силикатных минералов, что и основная масса Земли, но в 10 раз больше их по размеру и, как следствие, имеют гораздо более высокие давления и температуры внутри них. По словам Даффи, давление в мантии больших каменистых экзопланет может быть в три раза больше, чем в центре Земли. Он и его коллеги решили больше узнать о физических свойствах, которые эти минералы приобретают под давлением.

Даффи и группа ученых под руководством Раджкришны Датты, научного сотрудника Научного института Карнеги, провели эксперименты с определенными металлами при чрезвычайно высоком давлении и температуре. Они использовали сверхяркие рентгеновские лучи усовершенствованного источника фотонов (АПС), а Министерство энергетики Пользовательский центр Аргоннского научного офиса. Выводы группы были недавно опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Все это было бы невозможно без усовершенствованных лучевых линий высокого давления в АПС— сказал Датта.

В частности, ученые изучали магниевый гранит, аналог минералов силиката магния, составляющих основную часть мантии Земли. Заменив кремний более крупным ионом германия, команда может изучать переходы между химическими фазами при более низких температурах и давлениях в лаборатории.

«Если мы хотим понять более крупные планеты с химическим составом, подобным нашему, этот минерал — хорошее место для начала», — сказала Салли Джон Трейси, ученый из Института науки Карнеги, которая помогала в исследовании. Трейси и его коллеги оценили, как атомная структура магния изменяется при чрезвычайно высоких давлениях.

Использование двух рентгеновских линий в АПС Чтобы создать эти экстремальные условия, ученые обнаружили, что металл принял структуру соединения, называемого фосфидом тория. Они считают, что это может быть важным компонентом в глубоких недрах больших каменистых экзопланет.

«Это не похоже ни на одну кристаллическую структуру, которую вы найдете на Земле или других планетах в нашей Солнечной системе», — сказал Даффи.

Эта структура интересна по нескольким причинам. Во-первых, число атомов кислорода, окружающих каждый атом германия, увеличивается с четырех до восьми при высоком давлении и температуре. Во-вторых, новая кристаллическая структура имеет неупорядоченную ионную структуру, а не четкое расположение.

Исследователи были удивлены этим расстройством.«Структура, в которой два разных иона разного размера и валентности заменяют друг друга, противоречит нашей интуиции», — говорит Трейси.Идея о том, что этот тип неупорядоченной структуры может быть стабильной при высоком давлении и температуре, открывает двери для размышлений о других новых металлических структурах, которые могли бы быть жизнеспособными в экстремальных условиях».

Нарушенные структуры, как правило, легче включают примеси и дефекты, что может повлиять на физические свойства. Одним из таких факторов является теплопроводность, которая влияет на то, как планеты охлаждаются и развиваются с течением времени.

«Открытие этих фаз произвело революцию в нашем понимании глубин Земли», — сказал Датта.

Чтобы узнать о свойствах новой кристаллической структуры, команда полагалась на возможности двух линий излучения в АПС: Группа совместного доступа под высоким давлением (HPCAT), которым управляют Argonne и GeoSoilEnviroCARS (ГСЕКАРС), которым управляет Чикагский университет. Эти рентгеновские источники являются одними из самых ярких в мире.

Эти лучевые линии позволили исследователям достичь чрезвычайно высокого давления, сжимая образец между двумя массами. Высокие температуры были достигнуты с помощью передовых методов лазерного нагрева. Образцы исследовались с помощью интенсивного и остро сфокусированного рентгеновского пучка.

сказал Виталий Прокабенко, соавтор исследования и профессор-исследователь Чикагского университета.

Анализируя дифракционную картину, вызванную прохождением рентгеновского луча через металл при высокой температуре и давлении, ученые определили структуру и плотность этой новой фазы фосфида тория.

Исследователи смогли дистанционно управлять лучевыми линиями, что очень важно, поскольку эксперимент начался в начале COVID-19 пандемия.

Открытия, сделанные во время этого проекта, подняли мой дух в трудный момент, отметив, что все это было бы невозможно без выдающейся команды поддержки АПС Что поддерживало плавность линий лучей.

Ученые планируют продолжить изучение этой новой кристаллической структуры, чтобы лучше понять динамику экзопланет и узнать больше о нашей Вселенной.Даффи сказал: Это наука, движимая любопытством.Там есть очень странные миры, и мы можем обнаружить странные виды планет, о которых раньше и не мечтали».

О усовершенствованном источнике фотонов

Усовершенствованный источник фотонов Министерства энергетики США (АПС) в Аргоннской национальной лаборатории является одним из самых производительных источников рентгеновского излучения в мире. АПС Он обеспечивает рентгеновское излучение высокой яркости для разнообразного сообщества исследователей в области материаловедения, химии, физики конденсированных сред, наук о жизни, окружающей среды и прикладных исследований. Эти рентгеновские лучи идеально подходят для исследования биологических материалов и структур; распределение химических, магнитных и электронных состояний элементов; И широкий спектр технологически значимых инженерных систем от аккумуляторов до топливных форсунок, которые являются основой экономического, технологического и физического благополучия нашей страны. Ежегодно более 5000 исследователей используют АПС Для создания более 2000 публикаций с подробным описанием влиятельных открытий, решения наиболее важных структур биологических белков больше, чем в любом другом исследовательском центре, используется источник рентгеновского излучения. АПС Ученые и инженеры создают технологии, лежащие в основе ускорения ускорителей и источников света. Сюда входят устройства ввода, производящие чрезвычайно яркие рентгеновские лучи, которые ценятся исследователями, линзы, фокусирующие рентгеновские лучи с точностью до нескольких нанометров, устройства, расширяющие возможности взаимодействия рентгеновских лучей с исследуемыми образцами, а также программное обеспечение, которое собирает и управляет обширными данными. количество данных, полученных в результате исследования открытий в АПС.

В этой статье использовались Advanced Photon Source Resources, США. Министерство энергетики Отдел научного содействия пользователям работает для Министерство энергетики Управление науки Аргоннской национальной лаборатории по контракту № DE-AC02-06CH11357.

Аргоннская национальная лаборатория Он стремится найти решения насущных национальных проблем в области науки и техники. Аргоннская, первая национальная лаборатория страны, проводит новаторские фундаментальные и прикладные научные исследования почти во всех научных дисциплинах. Исследователи Аргонны тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, федеральных, государственных и муниципальных учреждений, чтобы помочь им решить их конкретные проблемы, укрепить научное лидерство Америки и подготовить нацию к лучшему будущему. Компания Argonne, в которой работают сотрудники из более чем 60 стран, управляется UChicago Argonne, ООО Управление науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США Он является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://energy.gov/science.

Leave a Comment