اكتشف العلماء اللبنة الأولى في تكوين الأرض الفائقة

كشفت دراسة جديدة أن أكسيد المغنيسيوم، وهو معدن رئيسي في تكوين الكواكب، قد يكون أول من يتصلب في تطوير الكواكب الخارجية “الأرضية الفائقة”، حيث يؤثر سلوكه في ظل الظروف القاسية بشكل كبير على تطور الكواكب.

لاحظ العلماء لأول مرة كيف تتحول ذرات أكسيد المغنسيوم وتذوب في ظل ظروف قاسية للغاية، مما يوفر رؤى جديدة حول هذا المعدن الرئيسي داخل عباءة الأرض المعروف 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 المركب يمكن أن يكون أول معدن يتصلب من محيطات الصهارة لتشكيل كواكب خارجية “أرضية فائقة” .

قال جون ويكس، الأستاذ المساعد في علوم الأرض والكواكب في جامعة جونز هوبكنز والذي قاد البحث: “يمكن أن 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

تم نشر النتائج حديثا في تقدم العلوم.

ويشيرون إلى أن الطريقة التي ينتقل بها 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 مائية أو غلاف جوي، أو يحتوي على مزيج من هذه الميزات.

“في الكواكب الأرضية الفائقة، حيث ستكون هذه المادة مكونًا كبيرًا في الوشاح، فإن تحولها سيساهم بشكل كبير في مدى سرعة تحرك الحرارة في الداخل، والتي ستتحكم في كيفية تحرك الجزء الداخلي وبقية الأرض”. قال ويكس: “يتشكل الكوكب ويتشوه بمرور الوقت”. “يمكننا أن نفكر في هذا كبديل للأجزاء الداخلية لهذه الكواكب، لأنها ستكون المادة التي تتحكم في تشوهها، وهي واحدة من أهم لبنات بناء الكواكب الصخرية.”

منظر للتجارب التي يتم إجراؤها بالليزر لأكسيد المغنيسيوم المضغوط بالصدمة (MgO) داخل الغرفة في مختبر طاقة الليزر. تُستخدم أشعة الليزر عالية الطاقة لضغط عينات MgO لضغوط تتجاوز تلك الموجودة في مركز الأرض. يتم استخدام مصدر ثانوي للأشعة السينية لاستكشاف البنية البلورية لـ MgO. المناطق الأكثر سطوعًا تتوهج بانبعاث البلازما على فترات 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 عمليات البحث لأنها توجد بشكل شائع بين الأنظمة الشمسية الأخرى في المجرة. وقال ويكس إنه في حين أن تكوين هذه الكواكب يمكن أن يختلف من الغاز إلى الجليد أو 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 الجيوفيزياء الرئيسية كما هو الحال على الأرض. .

لتقليد الظروف القاسية التي قد يتحملها هذا المعدن أثناء تكوين الكوكب، قام فريق ويك بتعريض عينات صغيرة لضغوط عالية جدًا باستخدام منشأة ليزر أوميغا-EP في مختبر طاقة الليزر بجامعة روتشستر. قام العلماء أيضًا بتصوير الأشعة السينية وسجلوا كيفية ارتداد تلك الأشعة الضوئية من البلورات لتتبع كيفية إعادة ترتيب ذراتها استجابة للضغوط المتزايدة، مع الإشارة على وجه التحديد إلى النقطة التي تحولت فيها من مادة صلبة إلى سائلة.

عند الضغط عليها بقوة شديدة، تغير ذرات المواد مثل أكسيد المغنيسيوم ترتيبها للحفاظ على ضغوط السحق. ولهذا السبب يتحول 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 وتأثيره على الكوكب مع تقدمه في العمر.

استقرار أكسيد المغنيسيوم عند الضغوط العالية

تظهر نتائج الفريق أن أكسيد المغنيسيوم يمكن أن يتواجد في كلا مرحلتيه عند ضغوط تتراوح بين 430 إلى 500 غيغاباسكال ودرجات حرارة تبلغ حوالي 9700 كلفن، أي ما يقرب من ضعف حرارة سطح الشمس. تظهر التجارب أيضًا أن أعلى الضغوط التي يمكن أن يتحملها المعدن قبل الذوبان تمامًا تزيد عن 600 جيجا باسكال، أي 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، ولكن هذا هو ما سيذوب أخيراً”. “عندما يتعلق الأمر بالمواد المتطرفة في الكواكب الصغيرة، فمن المرجح أن يكون أكسيد المغنيسيوم صلبًا، في حين أن كل شيء آخر سيتدلى هناك في الوشاح سيتحول إلى سائل”.

وقال ويكس إن الدراسة تعرض استقرار وبساطة أكسيد المغنيسيوم تحت ضغوط شديدة ويمكن أن تساعد العلماء على تطوير نماذج نظرية أكثر دقة لاستكشاف الأسئلة الرئيسية حول سلوك هذا المعدن وغيره من المعادن داخل العوالم الصخرية مثل الأرض.

وقال ويكس: “إن الدراسة هي رسالة حب إلى أكسيد المغنيسيوم، لأنه من المدهش أن لديه أعلى نقطة انصهار في درجة الحرارة نعرفها – عند ضغوط تتجاوز مركز الأرض – ولا يزال يتصرف مثل الملح العادي”. “إنه مجرد ملح جميل وبسيط، 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 ج. جورمان، زيكسوان يي، ج. ريان ريج، أنيرود هاري، جون إتش. إيجيرت، توماس إس. دافي، وريموند إف. سميث، 7 يونيو 2024، تقدم العلوم.
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؛ ج. ريان ريج من جامعة روتشستر؛ وتوماس س. دافي من جامعة برينستون.

تم دعم هذا البحث من قبل NNSA من خلال برنامج مرفق مستخدمي الليزر الوطني بموجب العقد رقم DE-NA0002154 وDE-NA0002720 وبرنامج البحث والتطوير الموجه للمختبر في 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 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).