Рентгеновские лучи помогают понять строение Земли

Схематическая иллюстрация экспериментальной установки, доступной на конечной станции MEC. Четыре детектора epiX 10k охватывают Q-диапазон от 15 до 106 нм⁻¹ для энергии рентгеновского пучка 17 кэВ. Диффузное рассеяние, записанное на каждом детекторе, затем можно сшить для реконструкции полного сигнала. Автор: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51796-7

Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США раскрыли новые подробности о границе ядра и мантии Земли и аналогичных регионах, обнаруженных на экзопланетах.

Команда под руководством Гийома Морара, ученого из Университета Гренобля и Университета Сорбонны во Франции, использовала рентгеновский лазер Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC для исследования поведения расплавленной породы в экстремальных условиях. Результаты были опубликованы в Nature Communications.

«Это исследование знаменует собой значительный прогресс в нашем понимании глубоких недр Земли», — сказала соавтор и старший научный сотрудник SLAC Арианна Глисон. «Результаты подчеркивают потенциал передовых рентгеновских методов для раскрытия скрытых секретов нашей планеты и за ее пределами».

Примерно в 1800 милях под поверхностью Земли находится бурлящая область магмы, зажатая между твердой мантией на основе силиката и расплавленным ядром, богатым железом: граница ядро-мантия. Это остаток старых времен, около 4,3–4,5 миллиардов лет назад, когда вся планета была расплавлена. Хотя экстремальные давления и температуры этого региона затрудняют его изучение, он содержит подсказки об истории происхождения Земли и понимание внутренних процессов планеты.

Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали передовые рентгеновские методы, чтобы воссоздать условия, ожидаемые в средней и нижней мантии экзопланет размером в два-три раза больше Земли. Используя жесткое рентгеновское излучение с более высокими уровнями энергии, чем это было возможно ранее, исследователи смогли увидеть, как расположены атомы в расплавленной породе. Команда также использовала компьютерное моделирование для сравнения с экспериментальными данными, что дало полное представление о свойствах расплавленных силикатов.

Один из неожиданных результатов был о роли железа в расплавленной породе. Вопреки ожиданиям, изменение содержания железа не привело к значительному изменению плотности породы. Это открытие особенно актуально для нашего понимания формирования Земли, где поверхность когда-то была расплавленной породой, а разница в плотности между кристаллическими и расплавленными материалами существенно повлияла на развитие планеты.

Исследование подчеркивает важность современных экспериментальных инструментов для изучения условий высокого давления и высокой температуры. Команда надеется, что их выводы приведут к дальнейшему развитию этих инструментов, открывая новые направления исследований в области наук о Земле и планетах.

«Теперь, когда мы знаем, что можем получить такое качество данных и достичь таких условий, мы хотим продвинуться дальше в экзопланетных режимах», — сказал Глисон. «Возможность создавать давления, эквивалентные трем условиям мантии Земли, захватывает. Это расширяет наше понимание свойств силикатов в экстремальных условиях, что имеет решающее значение как для изучения Земли, так и для изучения экзопланет».

Больше информации: Guillaume Morard et al, Structural evolution of liquid silicates under conditions in Super-Earth interiors, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51796-7

Источник: SLAC National Accelerator Laboratory