أظهر الباحثون، من خلال التجارب باستخدام أشعة الليزر عالية الطاقة، أن أكسيد المغنيسيوم هو على الأرجح أول معدن يتصلب في تكوين الأرض الفائقة، مما سيكون له تأثير حاسم على جيوفيزياء تطور هذه الكواكب.
كشفت دراسة جديدة أن أكسيد المغنيسيوم، وهو معدن رئيسي في تكوين الكواكب، يمكن أن يكون أول من يتصلب أثناء تطور الكواكب الخارجية “الأرضية الفائقة”، حيث يؤثر سلوكه في الظروف القاسية بشكل كبير على تطور الكواكب.
لاحظ العلماء لأول مرة كيف تتحول الذرات الموجودة في أكسيد المغنيسيوم وتذوب في ظل ظروف قاسية للغاية، مما يوفر رؤى جديدة حول هذا المعدن الرئيسي في عباءة الأرض، والمعروف بتأثيره على تكوين الكواكب.
تشير تجارب الليزر عالي الطاقة، التي أخضعت بلورات صغيرة من المعدن لنوع الحرارة والضغط الموجود في أعماق عباءة كوكب صخري، إلى أن هذا المركب يمكن أن 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 كوكب صخري حار في البرودة وينفصل الجزء الداخلي منه إلى قلب ووشاح.”
الآثار المترتبة على الكواكب الشابة
وقد نشرت النتائج مؤخرا في تقدم العلماء.
يقترحون أن كيفية تغير أكسيد المغنيسيوم من شكل إلى آخر يمكن أن يكون لها آثار مهمة على العوامل التي تتحكم فيما إذا كان الكوكب الشاب سيكون كرة ثلج أو صخرة منصهرة، أو سيتطور محيطات من الماء أو أجواء، أو سيكون له مزيج من هذه الخصائص.
“في الكواكب الأرضية الفائقة، حيث ستكون هذه المادة مكونًا مهمًا في الوشاح، فإن تحولها سيساهم بشكل كبير في مدى سرعة تحرك الحرارة إلى الداخل، مما سيتحكم في كيفية تحرك باطن الأرض وبقية الكوكب وقال ويكس: “إنها تتشكل وتتشوه بمرور الوقت، وهي واحدة من أهم اللبنات الأساسية للكواكب الصخرية”.
عرض لتجارب الليزر على أكسيد المغنيسيوم المضغوط بالصدمات (MgO) في غرفة مختبر طاقة الليزر. تُستخدم أشعة الليزر عالية الطاقة لضغط عينات MgO إلى ضغوط أعلى من تلك الموجودة في مركز الأرض. يتم استخدام مصدر ثانوي للأشعة السينية لفحص التركيب البلوري لـ MgO. تنبعث من ألمع المناطق بلازما مضيئة على مقاييس زمنية بالنانو ثانية. الائتمان: يونيو ويكس / جامعة جونز هوبكنز
أكبر من الأرض ولكن أصغر مما يحبه العمالقة نبتون أو أورانوستعتبر الكواكب الأرضية الفائقة أهدافًا رئيسية في كوكب خارجي البحث لأنها توجد بشكل شائع بين الأنظمة الشمسية الأخرى في المجرة. على الرغم من أن تكوين هذه الكواكب يمكن أن يختلف من الغاز إلى الجليد إلى الماء، فمن المتوقع أن تحتوي الكواكب الصخرية الفائقة على كميات كبيرة من أكسيد المغنيسيوم الذي يمكن أن يؤثر على المجال المغناطيسي للكوكب، والبراكين وغيرها من المعالم الجيوفيزيائية الرئيسية، كما هو الحال على الأرض. قال ويكس. .
لتقليد الظروف القاسية التي قد يتعرض لها هذا المعدن أثناء تكوين الكوكب، قام فريق ويك بتعريض عينات صغيرة لضغوط عالية جدًا باستخدام ليزر أوميغا-EP الخاص بمختبر الطاقة من جامعة روتشستر. أخذ العلماء أيضًا الأشعة السينية وسجلوا كيف ارتدت أشعة الضوء هذه من البلورات لتتبع كيفية إعادة ترتيب ذراتها استجابةً للضغوط المتزايدة، مع الإشارة على وجه التحديد إلى متى تحولت من مادة صلبة إلى سائلة.
عند الضغط عليها بقوة شديدة، تغير ذرات المواد مثل أكسيد المغنيسيوم ترتيبها لتحمل ضغوط السحق. ولهذا السبب يتغير المعدن من “طور” الملح الصخري الذي يشبه ملح الطعام إلى تكوين مختلف مثل ملح آخر يسمى كلوريد السيزيوم مع زيادة الضغط. وقال ويكس إن هذا يؤدي إلى تحول يمكن أن يؤثر على لزوجة المعدن ويؤثر على الكوكب أثناء نضوجه.
استقرار أكسيد المغنيسيوم عند الضغط العالي
تظهر نتائج الفريق أن أكسيد المغنيسيوم يمكن أن يتواجد في مرحلته عند ضغوط تتراوح بين 430 إلى 500 جيجاباسكال وعند درجات حرارة تبلغ حوالي 9700 كلفن، أي ما يقرب من ضعف درجة حرارة سطح الشمس. وتظهر التجارب أيضًا أن أعلى الضغوط التي يمكن أن يتحملها المعدن قبل ذوبانه بالكامل تتجاوز 600 جيجاباسكال، أو حوالي 600 مرة من الضغط الذي يمكن أن يشعر به المرء في أعمق خنادق المحيط.
“ينصهر أكسيد المغنسيوم عند درجة حرارة أعلى بكثير من أي مادة أو معدن آخر. وقال ويكس: “قد يكون الماس أصعب المواد، لكنه هو الذي يذوب أخيراً”. “عندما يتعلق الأمر بالمواد المتطرفة على الكواكب الصغيرة، فمن المحتمل أن يكون أكسيد المغنيسيوم صلبًا، في حين أن أي شيء آخر معلق في الوشاح سيتحول إلى سائل”.
وقال ويكس إن الدراسة تسلط الضوء على استقرار وبساطة أكسيد المغنيسيوم تحت ضغوط شديدة ويمكن أن تساعد العلماء على تطوير نماذج نظرية أكثر دقة لاستكشاف أسئلة رئيسية حول كيفية تصرف هذا المعدن وغيره من المعادن في العوالم الصخرية مثل الأرض.
وقال ويكس: “إن الدراسة هي رسالة حب إلى أكسيد المغنيسيوم، لأنه من المدهش أن لديه نقطة انصهار عند أعلى درجة حرارة نعرفها – عند ضغوط تتجاوز مركز الأرض – ولا يزال يتصرف مثل الملح العادي”. “إنه مجرد ملح بسيط وجميل، حتى في ظل هذه الضغوط ودرجات الحرارة القياسية.”
المرجع: “الانتقال من B1 إلى B2 في أكسيد المغنيسيوم المضغوط بالصدمات” بقلم جون ك. ويكس، سارانش سينغ، ماريوس ميلوت، داين إي. فراتاندونو، فيديريكا كوباري، مارتن جي. جورمان، زيكسوان يي، جي. رايان ريج، أنيرود هاري، جون إتش إيجيرت، توماس إس. دافي، وريموند إف. سميث، 7 يونيو 2024، تقدم العلماء.
دوى: 10.1126/sciadv.adk0306
المؤلفون الآخرون هم سارانش سينغ، وماريوس ميلوت، وداين إي. فراتاندونو، وفيديريكا كوباري، ومارتن جي. جورمان، وجون إتش. إيجيرت، وريموند إف. سميث من مختبر لورانس ليفرمور الوطني؛ زيكسوان يي وأنيرود هاري من جامعة جونز هوبكنز؛ جي ريان ريج من جامعة روتشستر؛ وتوماس س. دافي من جامعة برينستون.
تم دعم هذا البحث من قبل NNSA من خلال البرنامج الوطني لمرافق مستخدم الليزر بموجب رقم العقد DE-NA0002154 وDE-NA0002720 وبرنامج البحث والتطوير الموجه للمختبر LLNL (المشروع رقم 15-ERD-012). تم تنفيذ هذا العمل تحت رعاية وزارة الطاقة الأمريكية من قبل مختبر لورانس ليفرمور الوطني بموجب العقد رقم DE-AC52-07NA27344. تم دعم البحث من قبل الإدارة الوطنية للأمن النووي من خلال البرنامج الوطني لمرفق مستخدمي الليزر (رقم العقد DE-NA0002154 وDE-NA0002720) وبرنامج البحث والتطوير الموجه لمختبر LLNL (المشروع رقم ° 15-ERD-014، 17). -ERD-014 و20-ERD-044).
